CN109239457B - 微波表面电阻连续频谱测试装置 - Google Patents

微波表面电阻连续频谱测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了微波表面电阻连续频谱测试装置，包括固定介质柱和移动介质柱；所述固定介质柱设置于待测超导薄膜上，且移动介质柱连续运动并与固定介质柱产生相对位移，使得移动介质柱和固定介质柱之间电磁场变化。本发明微波表面电阻连续频谱测试装置，通过将固定介质柱和移动介质柱进行相对位移，实现了谐振频率的连续变化从而测得样品微波表面电阻的连续频率谱特性，实现准确连续无损的检测。

Description

微波表面电阻连续频谱测试装置
技术领域
本发明涉及超导测试技术，具体涉及微波表面电阻连续频谱测试装置。
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。目前各类超导器件已被广泛应用于各种微波无线系统。然而作为超导材料重要参数之一的薄膜表面电阻随频率连续变化的特性却一直没有切实可行的测试装置。现有的微波谐振器表面电阻(RS)测试方法通常仅能在一个频率点上进行，通过仔细设计采用谐波模式或高次模式，可以获得在几个频率点上的RS信息。但是这样的信息量对超导薄膜RS在频率维度的特性描述，特别是大功率情况下的特性描述是远远不够的，所以设计一种微波表面电阻连续频谱测试的装置成为亟待解决的难题。
国内外目前尚无专门针对微波表面电阻连续频谱测试的方法和装置。国内外对微波表面电阻的测试只适用于单频点或高次模产生的离散的几个频点。在诸多高温超导薄膜微波非线性测试方法中，最具代表性的是已被采纳为针对超导薄膜电特性测试国家标准的双端短路结构双介质谐振器法，但是该标准测试对象为高温超导薄膜微波表面电阻在单一频率下随功率的变化关系。
国家标准中利用双介质谐振器法测试高温超导薄膜表面电阻测试装置如图1和图2所示，图中超导薄膜A1、超导薄膜B2、超导薄膜C4、超导薄膜D5，其中超导薄膜A1、超导薄膜B2和超导薄膜C4、超导薄膜D5采用同一对超导薄膜；蓝宝石介质柱A3和介质柱B6，介质柱A3和介质柱B6的直径相同，两个介质柱的ε'和tanδ相同，高度不同，介质柱B6的高度是介质柱A3的p倍。TE011谐振器的谐振频率f0和无载品质因数Qu，记为f01和Qu1；TE01p谐振器的谐振频率f0和无载品质因数Qu，记为f0p和Qup。从测量得到的Qu值可以计算出tanδ和RS的值。然而由于介质柱尺寸固定，只能产生固定单一频率点的进行测试，不能反映连续频率微波表面电阻的变化信息。
国外给出了一种基于平面电路谐振器的设计方法，见：Yi Wang,Hieng Tiong Su,Frederick Huang,and Michael J.Lancaster.,Measurement ofYBCO Thin Film SurfaceResistanceUsing Coplanar Line Resonator TechniquesFrom 20MHz to 20GHz,IEEETRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY,VOL.17,NO.2,JUNE 2007。其测试装置如图3所示，利用共面波导结构，在20MHz到20GHz产生超过1000个谐振点，从而实现离散频率的微波表面电阻的测量。其中馈电输入口7，馈电输出口8，在超导薄膜E10表面刻蚀双螺旋折线槽9，在20MHz到20GHz每20MHz即可产生一个谐振点。利用测得的S参数和无载品质因数Q0值，即可计算出HTS薄膜的RS。但是在双螺旋折线槽图形成型的过程中会引入不确定因素，介质片的厚度和辐射损耗估算的不确定性，都会影响微波表面电阻的精度。同时在超导薄膜上刻蚀双螺旋折线会对破坏超导薄膜的完整性，不能做到无损测试。
申请号为CN93115387.5的专利：高温超导薄膜微波表面电阻测试装置及方法公开了如下特征：采用介质柱、支撑环、超导薄膜、屏蔽腔组成谐振腔，输入耦合电缆和输出耦合电缆对电磁能量进行激励，支撑板用于固定超导薄膜，密封盖与屏蔽腔配合，将整个谐振腔与外界隔绝，见图4。通过采用校准的方法，镜像介质谐振器装置能够直接测得单片超导薄膜的微波表面电阻值，但是由于其工作模式谐振频率固定，也不能进行微波表面电阻连续频率谱的测试。
综上所述，现有技术中对高温超导薄膜微波表面电阻测试无法准确无损的进行微波表面电阻连续频率谱的测试。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中对高温超导薄膜微波表面电阻测试无法准确无损的进行微波表面电阻连续频率谱的测试，目的在于提出了一种采用介质加载技术对介质谐振器谐振频率进行牵引的测试方法，解决在微波表面电阻分布测试中不能实现频率连续变化的缺陷，并构建一种新的测试装置，使之广泛服务于我国的超导事业。
本发明通过下述技术方案实现：
微波表面电阻连续频谱测试装置，包括固定介质柱和移动介质柱；所述固定介质柱设置于待测超导薄膜上，且移动介质柱连续运动并与固定介质柱产生相对位移，使得移动介质柱和固定介质柱之间电磁场变化。
现有技术中，对高温超导薄膜微波表面电阻测试无法准确无损的进行微波表面电阻连续频率谱的测试。
本发明应用时，在表征超导薄膜表面电阻频率特性时，通过调节移动介质柱的位置，使得移动介质柱和固定介质柱之间电磁场变化，从而改变介质柱的谐振频率，由于移动介质柱的位置连续可调，因此谐振频率可连续变化，从而得到不同频率下谐振腔的品质因数，最后测得样品微波表面电阻的连续频率谱特性。本发明通过将固定介质柱和移动介质柱进行相对位移，实现了谐振频率的连续变化从而测得样品微波表面电阻的连续频率谱特性，实现准确连续无损的检测。
进一步的，所述移动介质柱与固定介质柱之间的相对位移为缩小或增大移动介质柱与固定介质柱之间的距离。
本发明应用时，移动介质柱和固定介质柱的电场在相对位移的过程中，对固定介质柱而言仅仅是轴向传播常数β有所改变，故在整个位移过程中固定介质中的电场结构不变，只是在轴向上幅度分布有所不同。而在固定介质下表面即z＝0的位置，Hz1和Hz2均为零，仅存在径向磁场，因此超导薄膜上表面流过的电流仍然只有角方向分量。加载过程中，两个介质的相对位置逐渐变化直至完全靠拢，而双介质谐振模式从最开始相互分开，到最后融合成一体。而随着移动介质柱的上下移动，轴向电磁场分布随之稀疏和紧密，等效于介质柱轴向高度的增加和减小，因此谐振频率也做出相应的变化。再测试出连续频率的表面电阻的分布规律，从而得到微波表面电阻连续频率谱。
进一步的，还包括支撑环和滑动活塞；所述支撑环上设置固定介质柱；所述支撑环上设置与滑动活塞匹配的滑槽，且滑动活塞在所述滑槽内运动；所述固定介质柱设置于所述滑槽的底部，且滑动活塞朝向固定介质柱的面上设置移动介质柱。
本发明应用时，在表征超导薄膜表面电阻频率特性时，通过移动滑动活塞改变介质柱的谐振频率，由于滑动活塞的位置连续可调，因此谐振频率可连续变化，从而得到不同频率下谐振腔的品质因数，最后测得样品微波表面电阻的连续频率谱特性。
进一步的，还包括屏蔽腔、主腔、固定板和密封盖；所述主腔设置于屏蔽腔内；所述支撑环设置于主腔内；所述密封盖设置于主腔底部，且密封盖内设置用于安装待测超导薄膜的固定板。
进一步的，还包括校准座；所述校准座设置于屏蔽腔底部。
本发明应用时，谐振腔使用TE0m(n+δ)(m,n＝1,2,3……；0<δ<1)作为工作模式，待测超导薄膜上表面仅存在角向电流，用其他样品替代待测超导薄膜并不影响电磁场分布，则由电磁场积分比率决定的A值和B值不会发生变化。采用一个与谐振腔相同结构的校准腔替代待测超导薄膜，此时整个谐振系统的工作模式变为TE0m(2n+2δ))，谐振腔中的电磁场分布不变，而等效加载零电阻面，测得此时整个谐振系统的无载品质因数便得到A。谐振腔加载已知微波表面电阻的金属样品RSm后，测得其无载品质因数则可得到B值。最后再测得加载高温超导薄膜时谐振腔的无载品质因数即可得到超导薄膜的微波表面电阻RSS。
进一步的，所述固定介质柱和移动介质柱采用低损耗、高介电常数、高Q值材料，工作模式采用TE0m(n+δ)(m,n＝1,2,3……；0<δ<1)。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明微波表面电阻连续频谱测试装置，通过将固定介质柱和移动介质柱进行相对位移，实现了谐振频率的连续变化从而测得样品微波表面电阻的连续频率谱特性，实现准确连续无损的检测。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为国家标准中双介质谐振法测试装置剖面构造图TE011谐振器；
图2为国家标准中双介质谐振法测试装置剖面构造图TE013谐振器；
图3为共面波导结构谐振器测试装置；
图4为现有技术中高温超导薄膜微波表面电阻测试装置剖面构造图；
图5为本发明剖面构造图；
图6为本发明测试装置加载校准腔的剖面构造图；
图7为实施例中移动介质柱不同加载情况下电场分布情况图；
图8为实施例中移动介质柱不同加载情况下磁场分布情况图；
图9为实施例中移动介质柱不同加载情况下表面电流分布情况图；
图10为实施例中加载校准腔时双介质柱相距0～8mm的仿真图；
图11为实施例中加载理想导体边界时双介质柱相距0mm的S21曲线图；
图12为实施例中加载理想导体边界时双介质柱相距8mm的S21曲线图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-超导薄膜A，2-超导薄膜B，3-介质柱A，4-超导薄膜C，5-超导薄膜D，6-介质柱B，7-馈电输入端，8-馈电输出端，9-双螺旋折线，10超导薄膜E，19-滑动活塞，20-屏蔽腔，21-主腔，22-待测超导薄膜，23-固定板，24-密封盖，25-固定介质柱，26-移动介质柱，27-支撑环，28-校准座。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图5所示，本发明微波表面电阻连续频谱测试装置，包括固定介质柱25和移动介质柱26；所述固定介质柱25设置于待测超导薄膜22上，且移动介质柱26连续运动并与固定介质柱25产生相对位移，使得移动介质柱26和固定介质柱25之间电磁场变化。
本实施例实施时，在表征超导薄膜表面电阻频率特性时，通过调节移动介质柱26的位置，使得移动介质柱26和固定介质柱25之间电磁场变化，从而改变介质柱的谐振频率，由于移动介质柱26的位置连续可调，因此谐振频率可连续变化，从而得到不同频率下谐振腔的品质因数，最后测得样品微波表面电阻的连续频率谱特性。本发明通过将固定介质柱25和移动介质柱26进行相对位移，实现了谐振频率的连续变化。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，所述移动介质柱26与固定介质柱25之间的相对位移为缩小或增大移动介质柱26与固定介质柱25之间的距离。
本实施例实施时，移动介质柱26和固定介质柱25的电场在相对位移的过程中，对固定介质柱25而言仅仅是轴向传播常数β有所改变，故在整个位移过程中固定介质中的电场结构不变，只是在轴向上幅度分布有所不同。而在固定介质柱25下表面即z＝0的位置，Hz1和Hz2均为零，仅存在径向磁场，因此超导薄膜上表面流过的电流仍然只有角方向分量。加载过程中，两个介质的相对位置逐渐变化直至完全靠拢，而双介质谐振模式从最开始相互分开，到最后融合成一体。而随着移动介质柱26的上下移动，轴向电磁场分布随之稀疏和紧密，等效于介质柱轴向高度的增加和减小，因此谐振频率也做出相应的变化。
实施例3
如图6所示，本实施例在实施例2的基础上，还包括支撑环27和滑动活塞19；所述支撑环27上设置固定介质柱25；所述支撑环27上设置与滑动活塞19匹配的滑槽，且滑动活塞19在所述滑槽内运动；所述固定介质柱25设置于所述滑槽的底部，且滑动活塞19朝向固定介质柱25的面上设置移动介质柱26。
本实施例实施时，在表征超导薄膜表面电阻频率特性时，通过移动滑动活塞19改变介质柱的谐振频率，由于滑动活塞19的位置连续可调，因此谐振频率可连续变化，从而得到不同频率下谐振腔的品质因数。
实施例4
如图本实施例在实施例3的基础上，还包括屏蔽腔20、主腔21、固定板23和密封盖24；所述主腔21设置于屏蔽腔20内；所述支撑环27设置于主腔21内；所述密封盖24设置于主腔21底部，且密封盖24内设置用于安装待测超导薄膜22的固定板23。还包括校准座28；所述校准座3设置于屏蔽腔20底部。
本实施例实施时，谐振腔使用TE01(1+δ)(0≤δ≤1)作为工作模式，待测超导薄膜上表面仅存在角向电流，用其他样品替代待测超导薄膜并不影响电磁场分布，则由电磁场积分比率决定的A值和B值不会发生变化。采用一个与谐振腔相同结构的校准座3形成校准腔替代待测超导薄膜，此时整个谐振系统的工作模式变为TE01(2+2δ)，谐振腔中的电磁场分布不变，而等效加载零电阻面，测得此时整个谐振系统的无载品质因数便得到A。谐振腔加载已知微波表面电阻的金属样品RSm后，测得其无载品质因数则可得到B值。最后再测得加载高温超导薄膜时谐振腔的无载品质因数即可得到超导薄膜的微波表面电阻RSS。
实施例5
本实施例在实施例1～4的基础上，采用待测超导薄膜22，支撑板23，固定介质柱25，支撑环27，金属屏蔽腔20，密封盖24，滑动活塞19带动移动介质柱26移动的结构实现。在表征超导薄膜表面电阻频率特性时，通过移动滑动活塞改变介质柱的谐振频率，由于滑动活塞的位置连续可调，因此谐振频率可连续变化，从而得到不同频率下谐振腔的品质因数，最后测得样品微波表面电阻的连续频率谱特性。
(1)微波表面电阻测试
谐振腔使用TE01(1+δ)作为工作模式，超导薄膜22上表面仅存在角向电流，用其他样品替代超导薄膜22并不影响电磁场分布，则由电磁场积分比率决定的A值和B值不会发生变化。采用一个与谐振腔相同结构的校准腔(如图5所示)替代超导薄膜，此时整个谐振系统的工作模式变为TE01(2+2δ)，谐振腔中的电磁场分布不变，而等效加载零电阻面，测得此时整个谐振系统的无载品质因数便得到A。谐振腔加载已知微波表面电阻的金属样品RSm后，测得其无载品质因数则可得到B值。最后再测得加载高温超导薄膜时谐振腔的无载品质因数即可得到超导薄膜的微波表面电阻RSS。
(2)连续频率下微波表面电阻测试的实现
介质加载对整个谐振器谐振频率产生牵引，而工作模式的电磁场，特别是作用于被测薄膜的切向磁场结构不发生太大变化，样品表面电流分布的相对稳定，整个连续频谱内测试结果反映的是样品同一区域。
该谐振腔工作模式采用TE01(1+δ)，该模式只存在角方向电场，没有角方向磁场，表面电流方向也只有角方向。根据电磁理论，介质波导中TE01模式的非零场在圆柱坐标系下的表达式如下：
介质柱内：
Figure BDA0001778983780000061
Figure BDA0001778983780000062
Figure BDA0001778983780000063
介质柱外：
Figure BDA0001778983780000064
Figure BDA0001778983780000071
Figure BDA0001778983780000072
其中，X和Y是常数，μ0是自由空间磁导率，f是频率，Jn(x)(n＝0,1)是第一类n阶贝塞尔函数，Kn(x)(n＝0,1)是第二类n阶修正贝塞尔函数，kc1和kc2分别是介质内和介质外径向波数，β是轴向传播常数。移动介质柱26和固定介质柱25的电场在相对位移的过程中，对固定介质柱25而言仅仅是轴向传播常数β有所改变，故在整个位移过程中固定介质25中的电场结构不变，只是在轴向上幅度分布有所不同。而在固定介质柱25下表面即z＝0的位置，Hz1和Hz2均为零，仅存在径向磁场，因此超导薄膜上表面流过的电流仍然只有角方向分量。加载过程中，两个介质的相对位置逐渐变化直至完全靠拢，而双介质谐振模式从最开始相互分开，到最后融合成一体。而随着移动介质柱26的上下移动，轴向电磁场分布随之稀疏和紧密，等效于介质柱轴向高度的增加和减小，因此谐振频率也做出相应的变化。再利用第一步的方法测试出连续频率的表面电阻的分布规律，从而得到微波表面电阻连续频率谱。
实施例6
如图7～12所示，本实施例在实施例1～5的基础上，移动介质柱26和固定介质柱25的电场在相对位移的过程中，对固定介质柱而言仅仅是轴向传播常数β有所改变，故在整个位移过程中固定介质中的电场结构不变，只是在轴向上幅度分布有所不同。而在固定介质下表面即z＝0的位置，Hz1和Hz2均为零，仅存在径向磁场，因此超导薄膜上表面流过的电流仍然只有角方向分量。从相对位移量最大处电场E在轴向上下两层分布，到相对位移量为零时渐进的变化为一层分布，谐振模式实现融合。
图7～9给出了不同位移情况下的电磁场分布和下底面的表面电流情况。从图中可以看到在介质柱移动过程中，电磁场结构的特征并未发生变化，即电场仅有角向分量，磁场仅有纵向和径向分量，表面电流仅有角向分量。而随着介质柱的上下移动，轴向电磁场分布随之稀疏和紧密，等效于介质柱轴向高度的增加和减小，因此谐振频率也做出相应的变化。
以1mm为步进，对0mm～8mm范围内9个点进行仿真，结果以曲线图给出，如图10所示，横坐标为双介质柱间距(mm)，纵坐标为谐振频率(GHz)。加粗曲线为工作模式TE01(1+δ)/2。
可以看出，本实施例可以有效对微波表面电阻分布测试实现频率连续变化。
加载理想导体边界条件时双介质柱相距0mm与8mm的两种情况下的扫描结果分别如图11、图12所示。
可以看出，本实施例可以有效对微波表面电阻分布测试实现频率连续变化。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.微波表面电阻连续频谱测试装置，其特征在于，包括固定介质柱(25)和移动介质柱(26)；所述固定介质柱(25)设置于待测超导薄膜(22)上，且移动介质柱(26)连续运动并与固定介质柱(25)产生相对位移，使得移动介质柱(26)和固定介质柱(25)之间电磁场变化；
所述移动介质柱(26)与固定介质柱(25)之间的相对位移为缩小或增大移动介质柱(26)与固定介质柱(25)之间的距离；
还包括支撑环(27)和滑动活塞(19)；所述支撑环(27)上设置固定介质柱(25)；所述支撑环(27)上设置与滑动活塞(19)匹配的滑槽，且滑动活塞(19)在所述滑槽内运动；所述固定介质柱(25)设置于所述滑槽的底部，且滑动活塞(19)朝向固定介质柱(25)的面上设置移动介质柱(26)。
2.根据权利要求1所述的微波表面电阻连续频谱测试装置，其特征在于，还包括屏蔽腔(20)、主腔(21)、固定板(23)和密封盖(24)；所述主腔(21)设置于屏蔽腔(20)内；所述支撑环(27)设置于主腔(21)内；所述密封盖(24)设置于主腔(21)底部，且密封盖(24)内设置用于安装待测超导薄膜(22)的固定板(23)。
3.根据权利要求2所述的微波表面电阻连续频谱测试装置，其特征在于，还包括校准座(28)，所述校准座(28)设置于屏蔽腔(20)底部。
4.根据权利要求1所述的微波表面电阻连续频谱测试装置，其特征在于，所述固定介质柱(25)和移动介质柱(26)采用低损耗、高介电常数、高Q值材料，工作模式采用TE0m(n+δ)；其中，m,n＝1,2,3……；0<δ<1。
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