CN104316769A - 高温超导薄膜微波表面电阻分布测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温超导薄膜微波表面电阻分布测试装置及方法，测试装置包括测试座、固定组件、校准组件和密封盖，其工作谐振模式为TE012。测试座包括屏蔽壳体、输入耦合结构、输出耦合结构、支撑环、介质柱和金属圆环。测试座加载被测超导薄膜构成谐振器，固定组件用于被测超导薄膜的固定，密封盖用于谐振器内外的隔绝。本发明的有益效果是：(1)解决了在超导薄膜微波表面电阻分布测试中测试装置的分辨率、灵敏度与通用性之间的矛盾；(2)能有效地防止被测超导薄膜被压坏；(3)能够有效地避免发生直接耦合，具有较高的测试精度。

Description

高温超导薄膜微波表面电阻分布测试装置及方法

技术领域

本发明属于超导电子学技术领域，具体涉及一种高温超导薄膜微波表面电阻分布测试装置及方法的设计。

背景技术

高温超导薄膜在液氮温区的微波表面电阻比常规良导体低2-3个数量级，这种低损耗特性使得以高温超导薄膜为基础的高温超导微波无源器件,在微波波段具有常规器件无法比拟的优良特性。根据高温超导薄膜本身的结构特点，其微波表面电阻并不均匀，随着超导器件电路越来越复杂，超导薄膜材料的一致性问题日益突显，因此针对高温超导薄膜微波表面电阻分布的测量十分重要。

目前国内尚无专门针对超导薄膜微波表面电阻分布测试的方法和装置，国外用于超导薄膜微波表面电阻分布测试最具代表性的两种测试方法的测试装置如图5和图6所示。

图5所示的是对双端短路介质谐振器法进行改进后的测试装置，其中介质柱A15与两片超导薄膜16和17以及铜环18构成基本谐振单元，并通过输入耦合电缆A19和输出耦合电缆A20进行微波能量的激励。由所测得的谐振器的谐振频率与无载品质因数Q，可计算出高温超导薄膜的微波表面电阻R_S的值。这里得到的微波表面电阻值R_S为两片超导薄膜16和17的平均值，因此需要事先测出参考超导薄膜17的微波表面电阻，并以此为参考对被测超导薄膜A16进行测试。这一测试装置及方法的缺点在于：由于此方法在径向辐射很小的情况下才能使用，因此铜环18的内径不能太小，这将导致测试装置的分辨率较低，特别是当测试样品的尺寸较小(小于直径为16mm的圆面)时，甚至不能构成谐振结构。

图6所示的是准光腔测试装置，该装置由被测超导薄膜B22、输入耦合电缆B23、输出耦合电缆B24、移动座25以及球面反射镜26构成。电磁波从输入耦合电缆B23导入，通过球面反射镜26将电磁能量聚焦形成焦点21并作用到被测超导薄膜B22上，再将由被测超导薄膜B22反射的电磁能量通过输出耦合电缆B24导出，通过测试其输入输出能量的频率响应曲线，可以计算得到被测超导薄膜B22的微波表面电阻值，改变移动座25的位置可得到被测超导薄膜B22的微波表面电阻分布情况。这一测试装置及方法的缺点在于：该方法只具有中等灵敏度与精度，并且工作频率往往在100GHz以上，如此高的工作频率对测试仪器和系统的搭建要求极高，无疑限制了该方法的普及与应用。

电子科技大学的卢剑等人的发明《高温超导薄膜微波表面电阻测试装置及方法》1993年11月16日向中国国家知识产权局申请专利并获得批准，于1995年3月22日公开，公开号为CN1100522。该发明公开了一种高温超导薄膜微波表面电阻测试装置及方法，如图7所示，该装置采用介质柱C27、支撑环C28、被测超导薄膜C29和屏蔽壳体C30组成谐振腔，输入耦合电缆C31和输出耦合电缆C32对电磁能量进行激励，支撑板33用于固定被测超导薄膜C29，密封盖C34与屏蔽壳体C30配合，将整个谐振腔与外界隔绝。该装置通过采用校准的方法能够直接测得被测超导薄膜C29的微波表面电阻值。这一测试装置及方法的缺点在于：(1)由于其结构的限制，该装置难以用于表征超导薄膜微波表面电阻的局部特征，即不能用于分布测试；(2)该测试装置在工作时，支撑板33必须完全紧密盖住被测超导薄膜C29，否则被测超导薄膜C29在测试时将发生位移，严重时导致测试装置无法正常工作，而被测超导薄膜C29硬而脆，在盖上支撑板33后无法看见其具体位置及状况，这样便很容易压坏被测超导薄膜C29；(3)该测试装置中输入耦合电缆C31和输出耦合电缆C32采用耦合环结构，并且位于顶端左右两侧，容易发生直接耦合导致测试曲线畸变，影响最后的测试精度，此外，由于耦合环由手工定型再焊接而成，因此两个耦合环的形状难以保持一致，不利于测试输入输出耦合度一致的原则。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有超导薄膜微波表面电阻分布测试方法分辨率、灵敏度和通用性不能兼顾的问题，构建了一种采用金属圆环汇聚电磁场的介质谐振器测试装置，并提供了一种新的测试方法，使之广泛服务于我国的超导电子事业。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种高温超导薄膜微波表面电阻分布测试装置，包括测试座、固定组件、校准组件以及密封盖；测试座包括屏蔽壳体、输入耦合结构、输出耦合结构、支撑环、介质柱和金属圆环；介质柱固定在支撑环上后再固定在屏蔽壳体上内；金属圆环固定在屏蔽壳体内壁上；输入耦合结构和输出耦合结构设置在屏蔽壳体侧壁上的相对两侧；屏蔽壳体、介质柱和金属圆环三者的端面处于同一平面上，共同构成测试座的测试平面；被测超导薄膜或校准组件置于测试座的测试平面上；被测超导薄膜通过固定组件加以固定；密封盖罩住被测超导薄膜及固定组件，或罩住校准组件；密封盖与测试座的端面密封固定并可拆卸。

在优选实施方式中，屏蔽壳体、支撑环、介质柱以及金属圆环四者同心。

在优选实施方式中，固定组件包括压块和弹簧片；压块压在被测超导薄膜上，其上再用弹簧片加以固定；弹簧片两端与屏蔽壳体外延构成可拆卸固定结构。

在优选实施方式中，压块直径不大于5mm，弹簧片的宽度不大于5mm；压块的尺寸均小于被测超导薄膜的尺寸，弹簧片的长度大于被测超导薄膜的直径或最大长度。

在优选实施方式中，金属圆环的厚度范围为0.1mm-0.5mm，金属圆环的内径稍大于介质柱的直径。

在优选实施方式中，压块采用塑料材料，弹簧片采用具有一定弹性和硬度的材料，密封盖采用强度和导热性较好的材料，屏蔽壳体采用金属材料，支撑环采用低损耗、低介电常数材料，介质柱采用低损耗、高介电常数的材料，金属圆环采用金属材料或者介质环单面电镀金属材料。

在优选实施方式中，输入耦合结构和输出耦合结构采用耦合孔转同轴结构。

在优选实施方式中，校准组件包括校准金属板和校准座，所述校准金属板的微波表面电阻R_S1为已知，校准座的结构、尺寸和电性能均与测试座相同，其表面电阻R_S2＝0；所述校准金属板或校准座的外延与屏蔽壳体的外延构成可拆卸固定结构。

在优选实施方式中，测试座加载被测超导薄膜构成谐振器，其无载品质因数Q₀与被测超导薄膜的表面电阻R_S的关系为：

Q₀ ^-1＝A+BR_S   公式(1)

其工作模式为TE012，A、B均为与被测超导薄膜的表面电阻R_S无关的常数，由测量方法所确定。

本发明还提供了一种高温超导薄膜微波表面电阻分布测试方法，包括以下详细步骤：

步骤1、将已知表面电阻为R_S1的校准金属板装配在测试座上，使用密封盖对其端面处进行密封后将测试装置置于被测超导薄膜的工作温度中，测得其品质因数Q₀₁；

步骤2、将已知表面电阻R_S2＝0的校准座装配在测试座上，使用密封盖对其端面处进行密封后将测试装置置于被测超导薄膜的工作温度中，测得其品质因数Q₀₂；

步骤3、将被测超导薄膜装配在测试座上，压上压块并用弹簧片加以固定，使用密封盖对其端面处进行密封后将测试装置置于被测超导薄膜的工作温度中，测得其品质因数Q₀；

步骤4、根据公式(1)推导出

$R_S=\frac{Q_0^{-1}-A}{B}=\frac{Q_0^{-1}-Q_{02}^{-1}}{Q_{01}^{-1}-Q_{02}^{-1}}\×R_{S1}$    公式(2)

将步骤1、2、3测得的各值代入公式(2)，即可计算出被测超导薄膜的微波表面电阻R_S的值。

本发明提供的高温超导薄膜微波表面电阻分布技术方案具有以下有益效果：

(1)本发明采用金属圆环汇聚电磁场的介质谐振器，可以在较低的测试频率下获得较高的测试分辨率和灵敏度，从而降低准确表征超导薄膜微波表面电阻形貌的难度，解决了在超导薄膜微波表面电阻分布测试中测试装置的分辨率、灵敏度与通用性之间的矛盾；

(2)采用压块和弹簧片来固定被测超导薄膜，由于压块的尺寸和弹簧片的宽度小于被测超导薄膜的尺寸，因此在安装和固定被测超导薄膜的过程中能够清楚地看到其具体位置及状况，便于安装，同时能有效地防止被测超导薄膜被压坏；

(3)输入耦合结构和输出耦合结构采用耦合孔转同轴结构，位于屏蔽壳体侧壁上的相对两侧，能够有效地避免发生直接耦合，具有较高的测试精度。

附图说明

图1为本发明实施例的高温超导薄膜微波表面电阻分布测试装置剖面构造图。

图2为本发明实施例的测试座的结构示意图。

图3为本发明实施例的测试装置加载校准金属板后的剖面构造图。

图4为本发明实施例的测试装置加载校准座后的剖面构造图。

图5为现有技术的改进后的双端短路介质谐振腔测试装置的剖面构造图。

图6为现有技术的准光腔测试装置的剖面构造图。

图7为现有技术的高温超导薄膜微波表面电阻测试装置剖面构造图。

附图标记说明：

1—测试座、2—被测超导薄膜、3—压块、4—弹簧片、5—密封盖、6—屏蔽壳体、7—谐振腔、8—输入耦合结构、9—输出耦合结构、10—支撑环、11—介质柱、12—金属圆环、13—校准金属板、14—校准座、15—介质柱A、16—被测超导薄膜A、17—参考超导薄膜、18—铜环、19—输入耦合电缆A、20—输出耦合电缆A、21—焦点、22—被测超导薄膜B、23—输入耦合电缆B、24—输出耦合电缆B、25—移动座、26—球面反射镜、27—介质柱C、28—支撑环C、29—被测超导薄膜C、30—屏蔽壳体C、31—输入耦合电缆C、32—输出耦合电缆C、33—支撑板、34—密封盖C。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。

本实施例提供的高温超导薄膜微波表面电阻分布测试装置包括测试座1、固定组件、校准组件以及密封盖5。

测试座1的结构示意图如图2所示，包括屏蔽壳体6、输入耦合结构8、输出耦合结构9、支撑环10、介质柱11和金属圆环12。介质柱11固定在支撑环10上后再固定在屏蔽壳体6内，金属圆环12嵌在屏蔽壳体6内壁上，金属圆环12的厚度范围为0.1mm-0.5mm，其内径稍大于介质柱的直径。屏蔽壳体6、支撑环10、介质柱11以及金属圆环12四者同心，屏蔽壳体6、介质柱11和金属圆环12三者的端面处于同一平面上，共同构成测试座1的测试平面。输入耦合结构8和输出耦合结构9采用耦合孔转同轴结构，设置在屏蔽壳体6侧壁上的相对两侧，能够有效地避免发生直接耦合，具有较高的测试精度。

其中，屏蔽壳体6采用金属材料，支撑环10采用低损耗、低介电常数材料，如聚四氟乙烯、聚乙烯泡沫等，介质柱11采用低损耗、高介电常数的材料，如蓝宝石、A₆陶瓷等，金属圆环12采用金属材料或者介质环单面电镀金属材料。

测试座1装配被测超导薄膜2后的剖面构造图如图1所示。被测超导薄膜2置于测试座1的测试平面上，与屏蔽壳体6、支撑环10、介质柱11以及金属圆环12共同围成谐振腔7。被测超导薄膜2通过固定组件加以固定。密封盖5罩住被测超导薄膜2及固定组件，密封盖5与测试座1的端面密封固定并可拆卸。

其中，固定组件包括压块3和弹簧片4。压块3压在被测超导薄膜2上，其上再用弹簧片4加以固定，弹簧片4两端与屏蔽壳体6外延构成可拆卸固定结构，可以采用常规连接方式将弹簧片4两端与屏蔽壳体6外延固定在一起，如螺钉连接，使用螺钉将弹簧片4两端与压块3和被测超导薄膜2共同固定在测试座1的测试平面上。。

压块3采用塑料材料，如聚四氟乙烯、PVC、PE等，其直径不大于5mm。弹簧片4采用不锈钢片、铍青铜片等具有一定硬度或弹性的材料，其宽度不大于5mm。压块3的尺寸和弹簧片4的宽度均小于被测超导薄膜2的尺寸，使得在安装和固定被测超导薄膜2的过程中能够清楚地看到其具体位置及状况，便于安装，同时能有效地防止被测超导薄膜2被压坏。

该测试装置的校准组件包括校准金属板13和校准座14。校准金属板13的表面电阻R_S1为已知，其加载于测试座1上后的剖面图如图3所示。校准座14的结构、尺寸和电性能均与测试座1相同，其表面电阻R_S2＝0，其加载于测试座1上后的剖面图如图4所示。校准金属板13或校准座14的外延与屏蔽壳体6的外延构成可拆卸固定结构，可以采用常规连接方式将弹簧片4两端与屏蔽壳体6外延固定在一起，如螺钉连接，使用螺钉将校准金属片13或者校准座14固定在测试座1的测试平面上；也可以采用卡接或者磁性件的方式将校准金属片13或者校准座14固定在测试座1的测试平面上。

本发明所述的测试装置通过在测试探头中引入一金属圆环12，可以在不影响谐振腔7尺寸的情况下，将其中的电磁能量通过金属圆环12限制在一个较小的区域，实现在较低频率下电磁场的汇聚效果。由于金属圆环12的存在，作用于被测超导薄膜2的电磁场能量仅为金属圆环12内圈的面积大小，因此最后得到的测试结果为金属圆环12内圈对应的超导薄膜部分的微波表面电阻。通过金属圆环12内圈对应被测超导薄膜2的不同区域，可以得到被测超导薄膜2的微波表面电阻值分布。

在现有技术中，如图7所示，根据电磁场理论，屏蔽壳体C30越接近介质柱C27，即谐振腔内径越小，测试分辨率越高，但相对的测试装置的损耗越大，谐振器的品质因数越低，测试灵敏度也越低；反之，屏蔽壳体C30越远离介质柱C27，即谐振腔内径越大，测试装置的损耗越小，谐振器的品质因数越高，测试灵敏度也越高，但相对的测试分辨率越低。因此，测试装置的分辨率、灵敏度和通用性难以兼顾。

本发明采用测试座的测试分辨率完全由金属圆环12内圈大小决定，缩小金属圆环12内圈直径即可提高测试分辨率。而谐振腔7的内径可以设置为足够大，从而使其损耗可以忽略不计。因而本发明采用的测试装置可以在取得高测试分辨率的同时，使谐振腔7工作在合适的谐振频率且保证该谐振模式拥有较高的品质因数(例如：在工作频率30GHz，金属圆环12内径取5mm时，谐振腔7的无载品质因数可以高于10⁵)，从而解决以往测试方法面临的分辨率、灵敏度和通用性难以兼顾的难题。

本发明所述的测试装置中，测试座1加载被测超导薄膜2构成谐振器，其无载品质因数Q₀与被测超导薄膜2的表面电阻R_S的关系为：

Q₀＝A+BR_S   公式(1)

其工作模式为TE012，A、B均为与被测超导薄膜2的表面电阻R_S无关的常数，由测量方法所确定。

基于该高温超导薄膜微波表面电阻分布测试装置的测试方法，利用测试装置分别测试R_S2＝0的校准座14、R_S1已知的校准金属板13以及被测超导薄膜2的品质因数Q₀₁、Q₀₂和Q₀的值，将其分别带入公式(1)可推出A＝1/Q₀₂，B＝1/Q₀₁-A/R_S1，则被测样品的

$R_S=\frac{Q_0^{-1}-A}{B}=\frac{Q_0^{-1}-Q_{02}^{-1}}{Q_{01}^{-1}-Q_{02}^{-1}}\×R_{S1}$    式(2)

测试的具体步骤为：

步骤1、将已知表面电阻为R_S1的校准金属板按图3所示装配在测试座上，使用密封盖对其端面处进行密封后将测试装置置于被测超导薄膜的工作温度中，测得其品质因数Q₀₁；

步骤2、将已知表面电阻R_S2＝0的校准座按图4所示装配在测试座上，使用密封盖对其端面处进行密封后将测试装置置于被测超导薄膜的工作温度中，测得其品质因数Q₀₂；

步骤3、将被测超导薄膜按图2所示装配在测试座上，压上压块并用弹簧片加以固定，使用密封盖对其端面处进行密封后将测试装置置于被测超导薄膜的工作温度中，测得其品质因数Q₀；

步骤4、根据公式(1)推导出

$R_S=\frac{Q_0^{-1}-A}{B}=\frac{Q_0^{-1}-Q_{02}^{-1}}{Q_{01}^{-1}-Q_{02}^{-1}}\×R_{S1}$    公式(2)

将步骤1、2、3测得的各值代入公式(2)，即可计算出被测超导薄膜的微波表面电阻R_S的值。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高温超导薄膜微波表面电阻分布测试装置，其特征在于：包括测试座(1)、固定组件、校准组件以及密封盖(5)；所述测试座(1)包括屏蔽壳体(6)、输入耦合结构(8)、输出耦合结构(9)、支撑环(10)、介质柱(11)和金属圆环(12)；所述介质柱(11)固定在支撑环(10)上后再固定在屏蔽壳体(6)上内；所述金属圆环(12)固定在屏蔽壳体(6)内壁上；所述输入耦合结构(8)和输出耦合结构(9)设置在屏蔽壳体(6)侧壁上的相对两侧；屏蔽壳体(6)、介质柱(11)和金属圆环(12)三者的端面处于同一平面上，共同构成测试座(1)的测试平面；被测超导薄膜(2)或校准组件置于测试座(1)的测试平面上；所述被测超导薄膜(2)通过固定组件加以固定；所述密封盖(5)罩住被测超导薄膜(2)及固定组件，或罩住校准组件；密封盖(5)与测试座(1)的端面密封固定并可拆卸。

2.根据权利要求1所述的高温超导薄膜微波表面电阻分布测试装置，其特征在于：所述屏蔽壳体(6)、支撑环(10)、介质柱(11)以及金属圆环(12)四者同心。

3.根据权利要求1所述的高温超导薄膜微波表面电阻分布测试装置，其特征在于：所述固定组件包括压块(3)和弹簧片(4)；所述压块(3)压在被测超导薄膜(2)上，其上再用弹簧片(4)加以固定；所述弹簧片(4)两端与屏蔽壳体(6)外延构成可拆卸固定结构。

4.根据权利要求3所述的高温超导薄膜微波表面电阻分布测试装置，其特征在于：所述压块(3)直径不大于5mm，弹簧片(4)的宽度不大于5mm；压块(3)的尺寸小于被测超导薄膜(2)的尺寸，弹簧片(4)的长度大于被测超导薄膜(2)的直径或最大长度。

5.根据权利要求1所述的高温超导薄膜微波表面电阻分布测试装置，其特征在于：所述金属圆环(12)的厚度范围为0.1mm-0.5mm。

6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的高温超导薄膜微波表面电阻分布测试装置，其特征在于：所述压块(3)采用塑料材料，弹簧片(4)采用金属材料，屏蔽壳体(6)采用金属材料，金属圆环(12)采用金属材料或者介质环单面电镀金属材料。

7.根据权利要求1所述的高温超导薄膜微波表面电阻分布测试装置，其特征在于：所述输入耦合结构(8)和输出耦合结构(9)采用耦合孔转同轴结构。

8.根据权利要求1所述的高温超导薄膜微波表面电阻分布测试装置，其特征在于：所述校准组件包括校准金属板(13)和校准座(14)，所述校准金属板(13)的微波表面电阻R_S1为已知，校准座(14)的结构、尺寸和电性能均与测试座(1)相同，其表面电阻R_S2＝0；所述校准金属板(13)或校准座(14)的外延与屏蔽壳体(6)的外延构成可拆卸固定结构。

9.根据权利要求1所述的高温超导薄膜微波表面电阻分布测试装置，其特征在于：所述测试座(1)加载被测超导薄膜(2)构成谐振器，其无载品质因数Q₀与被测超导薄膜(2)的表面电阻R_S的关系为：

Q₀ ^-1＝A+BR_S   公式(1)

其工作模式为TE012，A、B均为与被测超导薄膜(2)的表面电阻R_S无关的常数，由测量方法所确定。

10.由权利要求1-9任一权利要求所述的测试装置所对应的高温超导薄膜微波表面电阻分布测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将已知表面电阻为R_S1的校准金属板(13)装配在测试座(1)上，使用密封盖(5)对其端面处进行密封后将测试装置置于被测超导薄膜(2)的工作温度中，测得其品质因数Q₀₁；

步骤2、将已知表面电阻R_S2＝0的校准座(14)装配在测试座(1)上，使用密封盖(5)对其端面处进行密封后将测试装置置于被测超导薄膜(2)的工作温度中，测得其品质因数Q₀₂；

步骤3、将被测超导薄膜(2)装配在测试座(1)上，压上压块(3)并用弹簧片(4)加以固定，使用密封盖(5)对其端面处进行密封后将测试装置置于被测超导薄膜(2)的工作温度中，测得其品质因数Q₀；

步骤4、根据公式(1)推导出

$R_S=\frac{Q_0^{-1}-A}{B}=\frac{Q_0^{-1}-Q_{02}^{-1}}{Q_{01}^{-1}-Q_{02}^{-1}}\×E_{S1}$    公式(2)

将步骤1、2、3测得的各值代入公式(2)，即可计算出被测超导薄膜(2)的微波表面电阻R_S的值。