CN104076205A - 测量用回音壁模式谐振器 - Google Patents

Abstract

一种测量用回音壁模式谐振器，包括：电介质谐振体，具有回转轴线；超导体待测样品，安装到所述谐振体；耦合单元，将测量用波导连接到所述谐振体，其中：所述谐振体的与所述耦合单元连接的一侧设置有第一端板，m个耦合孔穿过所述第一端板，所述m个耦合孔的圆心绕圆心在所述回转轴线上的一个圆等距离间隔开；所述耦合单元的馈线为同轴波导，同轴波导的轴线与回转轴线重合，同轴波导的垂直于其轴线的端面邻靠所述第一端板布置；且谐振器中操作回音壁模式的轴向指数为耦合孔的个数m的整数倍。

Description

测量用回音壁模式谐振器

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及用于在毫米和亚毫米波长范围内确定超导体表面阻抗的测量技术。

背景技术

对物质的微波特性的测量的精度和灵敏度取决于测量用谐振器的品质因子。谐振器的重要特性是在不进行预处理的情况下可以测量较小的样品或薄膜形式的样品。在研究高温超导体(HTS)时，取决于微波场的强度的HTS膜微波特性的测量，即，对HTS非线性性质的测量是非常重要的。

包括超导体的导体的特征在于微波表面阻抗Z_S＝R_S+jX_S，其中，R_S是表面电阻，jX_S是表面电抗。测量表面阻抗Z_S在技术上是为了确定超导体的微波特性，以及在技术上确定上述材料的微观体系中的电子行为。

测量超导体的表面电阻R_S比较困难，因为其值非常小。例如，即使在液氮温度(77K)在Ka-波段下，对于HTS YBa₂Cu₃O_7-δ而言Rs为5-7欧姆。通过增加频率，R_S与频率的平方f²成比例增加，这表示在高频下可以增加测量的灵敏度。与具有普通表面效应的普通导体不同，对于所有的超导体，其表面电抗不等于表面电阻，从而必须测量[参见Physical Properties of High Temperature Superconductors V，Editor Donald M.Ginsberg//World Scientific Publishing Co.1996，471p]。

对于超导体而言，即使在温度低于临界温度时表面电抗X_S显著大于表面电阻，即X_s＞＞R_S，X_S也保持一个较小的值。当表面阻抗是微波场的强度或者其功率的函数时，超导体的非线性阻抗特性具有很大的科学和实践上的重要性。

为了测量和研究超导体的微波阻抗特性，通常使用谐振器方法，因为该方法灵敏度和精度高。通常，在测量谐振器的品质因子的值以及谐振频率时馈线与谐振器之间存在弱耦合，且上述测量的品质因子的值以及谐振频率接近谐振器的本征特征。品质因子和谐振频率含有有关样品的电子物理特性的信息[参见Zhi-Yuan Shen，High-Temperature Superconducting Microwave Circuits.-Boston-London：ArtechHouse，1994，272p.]。已知方法之间的区别仅在于所使用的谐振器的类型、样品的形式、样品放置到谐振器内的方式、研究的方法。

当测量超导体的非线性特性时，重要的是加强谐振器与传输馈线之间的耦合。这里，需要知道耦合系数的值以得到谐振器的本征品质因子。

一般地，相同的谐振器用于测量表面电阻R_S和表面电抗X_S。所有的阻抗特性测量方法中的最重要的特点在于它们的精度和灵敏度。精度和灵敏度取决于谐振器的总损失中的哪一部分是在超导体中(通常，在待测样品中)的能量损失。超导体中的能量损失与普通金属中的能量损失相比非常小，因此，理想的是完全不使用普通金属。

为了改进微波表面电阻的测量技术，已经提出使用圆柱体电介质谐振器，其中，导电端板以低次模式激励。电介质衬底上的超导膜是这样的导电端板[参见Mazierska J.and Wilker Ch.Accuracy issues in Surface Resistance Measurements of HighTemperature Superconductors using Dielectric Resonators(corrected)，IEEE Trans.Appl.Supercond.-2001.-vol.11，№4.-P.4140-4147]。上述超导膜为测量对象。

该装置的缺点在于在实际中难以通过过度减小谐振器的尺寸以在毫米和亚毫米波长范围内使用具有低次模式的电介质谐振器，并且腔体与传输线的有效耦合也存在困难，该困难进一步降低了该测量方法的精度和灵敏度。

测量用回音壁模式谐振器克服了上述的缺点。测量用回音壁模式谐振器含有待测样品，并且以电介质圆柱体盘作为谐振体，谐振体具有垂直于旋转轴线的一个或两个平基部，谐振体上安装了高电导率材料的端板，电介质圆柱体盘设置有耦合单元，耦合单元具有从矩形标准波导到电介质波导形式的馈线的过渡部[参见CherpakN，Barannik A，Prokopenko Yu，Filipov Yu，Vitusevich S.Accurate MicrowaveTechnique of Surface Resistance Measurement ofLarge-area HTS Films using SapphireQuasioptical Resonator//IEEE Trans.on Appl.Supercond.-2003.-vo1.13，№2.-P.3570-3573]。谐振器以更高次模式激励，即以回音壁模式激励。该装置也允许测量超导膜的表面电抗的温度相关性[参见CherpakN.T.，BarannikA.A.，Prokopenko Yu.V.，VitusevichS.A.Microwave Impedance characterization of large-area HTS films；Novel Approach，Superconductivity Science and Technology，vol.17，№7，p.899-903，2004]。

上述测量用回音壁模式谐振器的缺点在于在一次测量中需要使用两个膜，从而测量膜的单独特性的次数增加。

测量用回音壁模式谐振器实现了对技术实质的最接近模拟，其含有待测样品，具有电介质谐振体，电介质谐振体具有垂直于旋转轴线的一个或两个平基部，电介质谐振体上安装了高电导率材料的端板，测量用回音壁模式谐振器设置有耦合单元，耦合单元具有从矩形标准波导到耦合单元的馈线的过渡部[参见Device for measurement of superconductor surface impedance//Barannyk O.A.，Bunyaev S.O.，Prokopenko Yu.V.，Filipov Yu.F.，Cherpak M.T.Declarative patent for utility model，UA，16620U，G01R27/04，2006]。测量用回音壁模式谐振器用于测量超导体的微波表面阻抗，所述超导体为由端板形式的高导电材料制成。为了在一次测量行为中测量膜的单独特性，测量用回音壁模式谐振器制作为回转电介质体，其一个基部邻靠端板，该端板为待测超导膜。

在测量用回音壁模式谐振器中，以回音壁模式激励，从而可以在毫米波长范围内增加谐振器的尺寸。测量用回音壁模式谐振器的耦合单元具有从标准的矩形金属波导到耦合单元的馈线的过渡部，所述耦合单元制造为电介质波导的形式，位于电介质谐振体的侧表面的附近。电介质波导和金属矩形波导由平滑的波导过渡部(或连接部)连接。

上述测量用回音壁模式谐振器的优点在于其可以在毫米和亚毫米波长范围内测量超导体的阻抗。

但是，上述装置以及上面提及的利用回音壁模式的其他测量用谐振器的主要缺点在于耦合单元，其在整体上劣化了测量用谐振器的性能。开放式电介质波导与测量用开放式电介质谐振器之间的电磁耦合在于在空间中存在一区域，该区域中谐振器的场与电介质波导的场彼此重叠。在开放式系统(利用空间可以实现耦合)中，这导致以下两种效果：1)谐振器的场被电介质波导散射，从而减小了谐振器的本征品质因子；2)电介质波导的行波场被谐振器散射到空间中，由此降低了将能量传递到谐振器中的效率。电介质波导和谐振器放得越近，这两个效果越强。上述效果的结果是测量系统的信噪比降低且存在系统(方法)测量误差。在电介质波导和测量用谐振器放置得比较远从而谐振器的场的散射可以忽略时，因为耦合系数降低，信号水平低，信噪比降低。另外，由于来自输入波导的非谐振辐射信号与来自谐振器的有用信号两者大小差别不大且在输出波导中相互干扰，信噪比也降低。

在大距离处，虽然谐振散射的效果可以忽略，但是波导与测量用谐振器之间的耦合系数由此变小，这导致测量系统的整体上的信噪比降低。来自电介质波导的非谐振辐射导致在输入波导与输出波导之间的电动力学(electrodynamic)连接，这在非谐振辐射信号与有用信号之间在输出波导中产生干扰效果，从而使得测量用谐振器的调谐过程复杂化，也降低了信噪比。波导与谐振器之间距离较大时，因为非谐振辐射的功率可以与有用信号的功率相比较，非谐振辐射的效果不能忽略。

发明内容

作为本发明的基础，本发明的目的是通过提出用于测量用回音壁模式谐振器的、与传输馈线耦合的新的耦合单元来改进该谐振器，该耦合单元可以增加适用于所选择的回音壁模式的耦合单元的耦合系数，且谐振散射以及非谐振辐射均处于很低的水平。这大大提高了信噪比，并且获得了以前难以获得的机会来通过由谐振器反射的波来测量谐振器的特性。利用谐振器反射的波，如所知的，能够准确计算耦合单元中的外部谐振器损失，由此可以降低通过谐振器方法测量样品的材料特性的系统误差，以及可以在毫米波和亚毫米波范围的短波范围内测量超导体的表面阻抗。

根据本发明的一个具体示例的测量用回音壁模式谐振器包括：电介质谐振体，具有回转轴线；超导体待测样品，安装到所述谐振体；耦合单元，将测量用波导连接到所述谐振体，其中：所述谐振体的与所述耦合单元连接的一侧设置有第一端板，m个耦合孔穿过所述第一端板，所述m个耦合孔的圆心绕圆心在所述回转轴线上的一个圆等距离间隔开；所述耦合单元的馈线为同轴波导，同轴波导的轴线与回转轴线重合，同轴波导的垂直于其轴线的一个端面邻靠所述第一端板布置；且谐振器中操作回音壁模式的轴向指数为耦合孔的个数m的整数倍。

可选地，所述第一端板由高电导率材料制成。

可选地，所述第一端板为超导材料制成的薄膜。

可选地，所述谐振器还包括第二端板，所述第二端板与所述第一端板平行地布置在所述谐振体的另一侧。所述第二端板可由高电导率材料制成，所述待测样品可构成所述第二端板。所述谐振体的本体上可设置有径向开槽，所述待测样品置于所述径向开槽内。

可选地，所述谐振器还包括电磁屏蔽或吸收材料，所述电磁屏蔽或吸收材料设置在相对的第一端板与第二端板的径向外边缘之间，以密封绕谐振体的腔室。

可选地，所述谐振体包括彼此形成为一体且回转轴线重合的第一谐振部和第二谐振部，所述第一谐振部形成为与所述第一端板面接触的端板或衬底，所述第二谐振部的半径小于所述第一谐振部的半径。进一步地，所述谐振器还包括第二端板，所述第二端板与所述第一端板平行地布置在所述谐振体的另一侧，所述第二端板可由高电导率材料制成，所述待测样品可构成所述第二端板。所述待测样品为板的形式且在所述第二端板的面对所述第一端板的一侧可与所述第二端板形成面接触地安装到所述第二端板上。

在上述的测量用回音壁模式谐振器中，所述谐振体可由蓝宝石制成。

在上述的谐振器中，可选地，所述同轴波导被分为m个波导部，且所述m个波导部整体上具有m阶旋转对称；每一个波导部含有一个对应的耦合孔。

所述同轴波导可为圆柱形波导且包括被多个金属壁分开的m个波导部，进一步地，所述测量用波导可为矩形标准波导；且所述耦合单元还包括设置在矩形标准波导与所述圆柱形波导之间的过渡部。

可选地，所述测量用波导为矩形标准波导；所述m个波导部为m个矩形波导部。所述耦合单元还可包括设置在矩形标准波导与所述m个矩形波导部之间的过渡部。可选地，m为4；所述过渡部包括：从具有H₁₀模式的所述矩形标准波导到具有H₂₀模式的矩形波导的第一过渡部、从具有H₂₀模式的矩形波导到具有H_20U模式的十字波导的平滑过渡部，以及从具有H_20U模式的十字波导到具有H₁₀模式的所述m个矩形波导部的平滑过渡部。

附图说明

图1为根据本发明的一个示例性实施例的测量用回音壁模式谐振器的示意图；

图2为图1中的测量用回音壁模式谐振器的A-A截面图；

图3为根据本发明的一个示例性实施例的从矩形标准波导到同轴波导的过渡部的一半视图，同轴波导被分为多个波导部；

图4为根据本发明的一个示例性实施例的从矩形标准波导到耦合单元的同轴馈线的过渡部的示意图，其中过渡部具有四个矩形波导部；

图5为根据本发明的另外的示例性实施例的测量用回音壁模式谐振器的示意图；

图6为根据本发明的一个示例性实施例的具有一个耦合单元的测量用回音壁模式谐振器的等效电路；

图7示出了两个测量用回音壁模式谐振器的反射系数的频谱图，两个测量用回音壁模式谐振器分别具有高电导率样品和低电导率样品，以及分别设置有4个耦合孔和8个耦合孔；以及

图8示出了在孔半径r＝d_h/2时测量用回音壁模式谐振器的耦合系数β、激励效率η、加载品质因子Q_L以及本征品质因子Q₀的示例。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实例性的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。下面参考附图描述的实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

根据本发明的一个示例性实施例的测量用回音壁模式谐振器(以下简称谐振器)含有待测样品1，具有电介质谐振体2，该电介质谐振体具有垂直于回转轴线的一个或两个平的基部，例如高导电材料制成的端板3、4安装到所述谐振体。在使用谐振器的情况下，如图1所示，端板3可以是样品1，此时，样品1由被研究的材料制成，例如，端板3可以是高温超导薄膜。谐振器设置有耦合单元，所述耦合单元具有从矩形标准波导5到耦合单元的馈线的过渡部。

端板4确定谐振器的类型以及电动力学参数，并且同时是耦合单元的元件。

端板4可制造为薄膜的形式。m个耦合孔6穿过端板4且关于回转轴线轴对称设置，绕所述回转轴线沿同一圆周等间隔定位。耦合孔6提供谐振器与耦合单元的馈线之间的电磁耦合。耦合单元的馈线设计为同轴波导7，同轴波导7的轴线与回转轴线重合，同轴波导7的与同轴波导的轴线垂直的一个端面邻靠所述薄膜，且谐振器中操作的回音壁模式的轴向指数为耦合孔6的个数m的整数倍。

如图3所示，同轴波导7可被多个金属壁分为m个波导部8，使得波导部8的整体具有m阶的旋转对称。且同轴波导的波导部8的与同轴波导的轴线垂直的端面邻靠所述薄膜(端板4)使得每一个波导部8含有一个耦合孔6。

波导部8可以用于多种目的，例如，选择同轴波导7的模式(见图3中给出的示例)或增加在耦合孔6处的场集中度(见图4中给出的示例)。

除了同轴波导7以及薄膜上具有耦合孔6，本发明的耦合单元包括从同轴波导7到通常为矩形横截面的波导5(可以是矩形标准波导)的波导过渡部9。波导过渡部9可以为不同的类型。

波导5为测量用波导。需要指出的是，测量用波导可以使用任何其他适合测量目的的波导。

图3和图4示出了实践中使用的波导过渡部9的两个示例。图3示出了从矩形波导5到分为多个波导部8的同轴波导的过渡部9的半个部分。整体上，过渡部9由两个镜像半部构成(图3)。图4示出了过渡部9由多个波导过渡部构成，即，从具有H₁₀模式的矩形波导5到具有H₂₀模式的矩形波导的过渡部，从具有H₂₀模式的矩形波导到具有H_20U模式的十字波导的平滑过渡部，以及从具有H_20U模式的十字波导到具有H₁₀模式的四个波导部8的平滑过渡部。

谐振器包括由电介质制成的谐振体2，且具有一个或两个端板3、4。回音壁模式可以在具有平的基部的各种形式的谐振器中激励，例如，谐振器可以为如下形式：截头圆锥、半球体。作为一个示例，图1中谐振体2是蓝宝石圆柱体盘。

为了减少损失，薄膜(端板4)可以由超导材料制成。图5示出了此构思的示例。在此情况下，谐振体2由两个蓝宝石盘形成，一个蓝宝石盘(左侧直径较大的盘)是超导材料(即端板4)的衬底。

谐振器还包括用于安装谐振体2的销10，利用电磁屏蔽或吸收材料11形成的围绕谐振体2的室，用于使得谐振器免受外部影响。虽然图5中没有示出，图5中也可类似地设置电磁屏蔽或吸收材料。

使用本发明的谐振器，可以研究不同尺寸和形状的样品的材料特性。样品的材料和形状决定了谐振器的具体结构。例如，图5中的端板3限定谐振器的类型(具有导电端板的电介质盘谐振器)，以及同时，端板3本身是高导电材料的样品1。

在其他情况下，样品1可直接放置到谐振体2内，例如，如图1中所示放置到谐振体2内的径向开槽中。在此情况下，高电导率材料的端板3将仅确定谐振器的类型以及电动力学参数。

下面说明谐振器的操作。

在使用具有m个耦合孔的薄膜(端板4)的谐振体2中，回音壁模式以方位角指数n＝pm(p为自然数)激励。待测样品1使得谐振器的谐振频率f₀以及本征品质因子Q₀发生变化。通过方案“on reflection”测量在谐振器与同轴波导7的任意耦合系数β处的上述变化。耦合系数β根据任务选择，例如基于待测样品1的类型以及给定的温度区间，其中微波表面阻抗Z_S必须被确定。

在端板3作为待测的高温超导薄膜的样品1时，考虑测量的一个具体情况，即，待测样品1的表面电阻R_S。本征品质因子的倒数可以表示如下：

$Q_0^{-1}=A_S{R}_S+A_S^{\left(d\right)}{R}_S^{\left(d\right)}+k\tan \mathrm{\δ},---\left(1\right)$

其中，A_S和分别为谐振体2的微波场与待测样品1以及薄膜(端板4)的相互作用系数，R_S和分别为待测样品1和薄膜(端板4)的表面电阻，k为微波场与谐振体的相互作用系数，tanδ为谐振体的电介质损失的正切值。所有上述相互作用系数通过校准过程确定，或者基于解决电动力学问题计算。

从上述等式(1)可知，表面电阻可以采用如下等式得出：

$R_S=(Q_0^{-1}-A_S^{\left(d\right)}{R}_S^{\left(d\right)}-k\tan \mathrm{\δ})/A_S---\left(2\right)$

使用用于工作波模式的反射系数的测量数据计算谐振器的本征品质因子[参见V.V.Glamazdin，M.P.Natarov，V.N.Skresanov，A.I.Shubnyi，Radiation of local coupling elementsof open resonators，Telecommunications and Radio Engineering.Vol.71，No10，867-892，2012]。为此目的，使用谐振器的等效替换电路(图6)。操作振荡模式通过导纳(admittance)G_z+jB_z(f)的并联谐振电路建模，其中，G_z是振荡电路的电导，B_z(f)＝2G_zQ_zτ_z(f)是振荡电路的反应电导率，其与特征电阻G_zQ_z以及频率失配(或解谐)τ_z(f)＝(f-f_z)/f_z成比例，其中f_z和Q_z分别是谐振器的谐振频率和品质因子。f是频率的运行值(running value)。有源电导G_z是不具有耦合单元时谐振器的电导G₀与包含有耦合单元时谐振器的电导G_x的和，即G_z＝G₀+G_x。利用包含有耦合单元时谐振器的电导G_x，考虑了谐振器的另外的损失，即耦合单元上的谐振场被散射到空间。不具有耦合单元时谐振器的电导G₀描述了谐振器的所有其他损失的和，包括样品1中的电导率损失。

通过比较谐振器中存在样品1时测量的品质因子与谐振器中不存在样品1时测量的品质因子，来利用谐振器测量待测样品1的特征。在两种情况下，耦合单元都散射功率。因此，为了测量由样品引起的损失，不需要知道耦合单元的散射品质因子。这是下面一直将本征品质因子Q₀与等效电路的品质因子Q_z看成一样即Q₀≡Q_z的原因。

同时，当计算本征品质因子Q₀时必须考虑耦合单元中的非谐振损失。这些损失通过耦合单元的序阻抗(sequential impedance)Z_d＝R_d+jX_d建模(见图6)。通常，在腔体谐振器的耦合单元中，例如，可以通过同轴波导7中的驻波比或者驻波比的倒数确定耦合系数，但是这不适用于本发明的情形。

下面提出了用于测量和计算谐振器的本征品质因子Q₀的阻抗方法的修改。

首先，使用网络分析仪，记录谐振器的反射系数Γ(f)。

谐振器的加载品质因子Q_L、谐振频率f_L以及复反射系数的其他参数通过平方模量响应的近似y(f)＝|Γ(f)|²得出，其中：

$\mathrm{\Γ}\left(f\right)={\mathrm{\Γ}}_d+\frac{A+\mathrm{jB}}{1+2j{Q}_{L}t\left(f\right)}---\left(3\right)$

其中t(f)＝(f-f_L)/f_L是相对于谐振频率f_L的频率解谐参数；A和B分别为以谐振频率f_L从谐振器反射到波导7内的波的振幅的实部和虚部。

通过解析公式，可以从测得的Q_L、f_L、Γ_d、A以及B的值计算本征品质因子Q₀以及本征频率f₀。这些值通过比较谐振器的表面阻抗Z(f)的两个表达式获得。

另外，表面阻抗Z(f)与反射系数Γ(f)相关，表面阻抗Z(f)的表达式如下：

$Z\left(f\right)=\frac{1+\mathrm{\Γ}\left(f\right)e^{\mathrm{j\Φ}}}{1-\mathrm{\Γ}\left(f\right)e^{\mathrm{j\Φ}}}---\left(4\right)$

其中，Φ是反射系数在表面阻抗Z(f)的代表平面中相对于反射系数Γ(f)的参考平面的相位。

另一方面，谐振器的表面阻抗的表达式可以使用谐振器的等效电路(图6)表达如下：

$Z\left(f\right)=Z_d+\frac{1/G_0}{1+2j{Q}_0{\mathrm{\τ}}_0\left(f\right)},---\left(5\right)$

其中，τ₀(f)＝(f-f₀)/f₀≈t(f)-t₀且t₀＝(f₀-f_L)/f_L。

下面的关系满足：

$f_0=f_L(1+\mathrm{Re}\left(\frac{1-({\mathrm{\Γ}}_d+A+\mathrm{jB})e^{\mathrm{j\Φ}}}{2j{Q}_L(1-{\mathrm{\Γ}}_d{e}^{\mathrm{j\Φ}})}\right))$ 以及 $Q_0^{-1}=-\mathrm{Im}\left(\frac{1-({\mathrm{\Γ}}_d+A+\mathrm{jB})e^{\mathrm{j\Φ}}}{2j{Q}_L(1-{\mathrm{\Γ}}_d{e}^{\mathrm{j\Φ}})}\right),---\left(6\right)$

其中未知的相位是下面的三角函数等式的解：

sin(Φ+θ)＝2BΓ_d/C，  (7)

其中 $\sin \left(\mathrm{\θ}\right)=B(1+{\mathrm{\Γ}}_d^2)/C$ 且 $C=\sqrt{{\left(A(1-{\mathrm{\Γ}}_d^2)\right)}^2+{\left(B(1+{\mathrm{\Γ}}_d^2)\right)}^2}.$

之后，可以计算感兴趣耦合单元的所有特性，例如，耦合单元的非谐振损失，其特征在于谐振振荡激励效率η等于谐振器中其自身损失的功率P₀与通过耦合单元传输的功率的比值，其中P_inc为从同轴波导7入射在耦合单元上的功率，P_ref为从谐振器反射到同轴波导7中的功率，或者同轴波导7的耦合系数β＝Q₀/Q_L-1。

图7和图8中的相关性显示了具有作为待测样品1的端板的谐振器利用同轴波导7通过薄膜中的耦合孔6系统的执行激励的激励方法的具体特征。给定描述中的所有耦合单元的操作基于使用在同轴波导7中激励的H₀₁模式。

图7显示了具有高电导率端板(待测样品1)且通过4个耦合孔激励的谐振器的反射系数的频谱图(图7中以S11[4h]示出)，以及具有低电导率端板(待测样品1)且通过8个耦合孔激励的谐振器的反射系数的频谱图(图7中以S11[8h]示出)。蓝宝石盘的半径和高度分别为R＝5.15mm以及L＝2.5mm。直径为d_h＝1.8mm的孔的中心在0.2mm厚的铜膜中沿半径为R_h＝5mm的圆定位。

HE模式和EH模式可以在谐振器中激励。模式轴向指数与膜中的耦合孔的数量密切相关。从对称原理明显可知：沿方位角坐标的谐振场变化的周期等于膜中的耦合孔的数量，或者是该数量的整数倍。结果，可以选择谐振模式。如在图7中看到的，激励模式的数量随着耦合孔的数量增加而降低。

具有HE_8，1，0模式的盘式蓝宝石谐振器设计为在30GHZ工作，且模式在谐振器激励时通过具有4个耦合孔和8个耦合孔的膜确定。一些模式在图7中示出。除了模式选择之外，耦合单元的一个有利特征是可以移除操作的HE_8，1，0模式的极化变性。HE_8，1，0模式可以分解为具有显著不同的本征频率的HE′_8，1，0模式和HE″_8，1，0模式。

用于电介质谐振器的具有波导的已知耦合单元的测试表明激励效率在50％左右。而本发明的耦合单元具有回音壁模式下的高激励效率。

图8显示了盘式蓝宝石谐振器的耦合系数β、激励效率η、加载品质因子Q_L以及本征品质因子Q₀的相关性，4个耦合孔的中心在0.2mm厚的铜膜中沿半径R_h＝5mm的圆定位。蓝宝石盘的半径和高度分别为R＝5.15mm以及L＝2.5mm。使用了HE′_8，1，0模式。可以看到，对于所有测试直径的耦合孔6，激励效率接近100％。

通过改变耦合孔的直径d_h＝2r，耦合系数β可以可选地从非常小的值变化到数倍于1的值。可以看到对半径R_h的强相关性，其决定耦合孔的中心。对于具有低电导率和高电导率(比较图7中的两个曲线)的待测样品1的谐振器，可以获得接近临界值的耦合效率。这意味着能够在变化的谐振曲线的合适的动态范围内以高信噪比测量具有显著不同的电物理特性的样品。

注意到在测量用回音壁模式电介质谐振器的所有耦合单元中的再一个内在特征。通过改变耦合单元的几何参数改变耦合系数的同时改变了谐振器的外部品质因子以及本征品质因子。该特征适用于本发明的耦合单元(参见图8)。忽略谐振器的耦合单元的本征品质因子将导致在计算待测样品1的电物理特性时的系统误差。

本发明可以使用在经济和科技部分，其中，所研究或测量的物质的微波特性是基础，和/或确定基于这些物质所研发的微波装置的特性。

本发明可以用于例如测量超导体、普通导体的微波特性，以及用于以非接触的方式监测它们的电导率。

本发明还可以用于研发利用电子核子双谐振(ENDOR)的频谱仪中的测量室，其中，对于核极化，需要使用在太赫兹范围内的电磁辐射功率的更高能级。

本发明的用于谐振器的新颖的耦合单元允许测量从谐振腔室反射的信号。如所示的，上述的可能性允许本领域技术人员应用计算谐振器的本征品质因子的阻抗方法，谐振器的本征品质因子的值在耦合单元的任何调谐处已知。由此，当使用本发明的谐振器对待测样品进行研究时，考虑了待测样品的电特性测量的系统(方法)误差源。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本发明的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (20)

1.一种测量用回音壁模式谐振器，包括：

电介质谐振体，具有回转轴线；

超导体待测样品，安装到所述谐振体；

耦合单元，将测量用波导连接到所述谐振体，

其中：

所述谐振体的与所述耦合单元连接的一侧设置有第一端板，m个耦合孔穿过所述第一端板，所述m个耦合孔的圆心绕圆心在所述回转轴线上的一个圆等距离间隔开；

所述耦合单元的馈线为同轴波导，同轴波导的轴线与回转轴线重合，同轴波导的垂直于其轴线的一个端面邻靠所述第一端板布置；且

谐振器中操作回音壁模式的轴向指数为耦合孔的个数m的整数倍。

2.根据权利要求1所述的测量用回音壁模式谐振器，其中：

所述第一端板由高电导率材料制成。

3.根据权利要求2所述的测量用回音壁模式谐振器，其中：

所述第一端板为超导材料制成的薄膜。

4.根据权利要求1所述的测量用回音壁模式谐振器，其中：

所述谐振器还包括第二端板，所述第二端板与所述第一端板平行地布置在所述谐振体的另一侧。

5.根据权利要求4所述的测量用回音壁模式谐振器，其中：

所述第二端板由高电导率材料制成。

6.根据权利要求5所述的测量用回音壁模式谐振器，其中：

所述待测样品构成所述第二端板。

7.根据权利要求4-6中任一项所述的测量用回音壁模式谐振器，其中：

所述谐振体上设置有径向开槽，所述待测样品置于所述径向开槽内。

8.根据权利要求7所述的测量用回音壁模式谐振器，其中：

所述谐振器还包括电磁屏蔽或吸收材料，所述电磁屏蔽或吸收材料设置在第一端板与第二端板的相对的径向外边缘之间，以密封绕谐振体的腔室。

9.根据权利要求1所述的测量用回音壁模式谐振器，其中：

所述谐振体包括彼此形成为一体且回转轴线重合的第一谐振部和第二谐振部，所述第一谐振部形成为与所述第一端板面接触的端板或衬底，所述第二谐振部的半径小于所述第一谐振部的半径。

10.根据权利要求9所述的测量用回音壁模式谐振器，其中：

所述谐振器还包括第二端板，所述第二端板与所述第一端板平行地布置在所述谐振体的另一侧。

11.根据权利要求10所述的测量用回音壁模式谐振器，其中：

所述第二端板由高电导率材料制成。

12.根据权利要求11所述的测量用回音壁模式谐振器，其中：

所述待测样品构成所述第二端板。

13.根据权利要求10或11所述的测量用回音壁模式谐振器，其中：

所述待测样品为板的形式且在所述第二端板的面对所述第一端板的一侧与所述第二端板形成面接触地安装到所述第二端板上。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的测量用回音壁模式谐振器，其中：

所述谐振体由蓝宝石制成。

15.根据权利要求1-14中任一项所述的测量用回音壁模式谐振器，其中：

所述同轴波导被分为m个波导部，且所述m个波导部整体上具有m阶旋转对称；

每一个波导部含有一个对应的耦合孔。

16.根据权利要求15所述的测量用回音壁模式谐振器，其中：

所述同轴波导为圆柱形波导且包括被多个金属壁分开的m个波导部。

17.根据权利要求16所述的测量用回音壁模式谐振器，其中：

所述测量用波导为矩形标准波导；

所述耦合单元还包括设置在矩形标准波导与所述圆柱形波导之间的过渡部。

18.根据权利要求15所述的测量用回音壁模式谐振器，其中：

所述测量用波导为矩形标准波导；

所述m个波导部为m个矩形波导部。

19.根据权利要求18所述的测量用回音壁模式谐振器，其中：

所述耦合单元还包括设置在矩形标准波导与所述m个矩形波导部之间的过渡部。

20.根据权利要求19所述的测量用回音壁模式谐振器，其中：

m为4；

所述过渡部包括：从具有H₁₀模式的所述矩形标准波导到具有H₂₀模式的矩形波导的第一过渡部、从具有H₂₀模式的矩形波导到具有H_20U模式的十字波导的平滑过渡部，以及从具有H_20U模式的十字波导到具有H₁₀模式的所述m个矩形波导部的平滑过渡部。