陳 柳，曾 成，褚青如，張 潔，補世榮，寧俊松

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利用金屬環(huán)聚焦的HTS薄膜s分布測試法的研究

陳 柳，曾 成，褚青如，張 潔，補世榮，寧俊松

(電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院 成都 610054)

介紹了一種測試高溫超導(dǎo)薄膜微波表面電阻分布的新方法。該方法利用鏡像法相關(guān)原理，通過引入金屬環(huán)實現(xiàn)介質(zhì)諧振器和腔體的能量匯聚，解決了高溫超導(dǎo)薄膜微波表面電阻的分布測試通用性與高分辨率不兼容的問題。根據(jù)該方法研制了工作在32 GHz的頻率下，工作模式為TE012+δ的測試裝置，其分辨率為直徑5 mm，面積19.6 mm2的圓面。測試裝置對一片兩英寸YBCO/LAO/YBCO超導(dǎo)薄膜樣品進行了13個點的表面電阻分布測試。

高溫超導(dǎo); 分布測試; 金屬環(huán); 分辨率

高溫超導(dǎo)(HTS)薄膜微波表面電阻s是高溫超導(dǎo)材料非常重要的特性參數(shù)，然而高溫超導(dǎo)薄膜表面電阻分布并不均勻，故需要對HTS微波表面電阻的分布進行測量，以便更好地評估HTS薄膜的特性，設(shè)計高性能的超導(dǎo)微波器件。

目前高溫超導(dǎo)薄膜微波表面電阻分布測試主要有雙介質(zhì)諧振器法、準(zhǔn)光學(xué)諧振腔法[1]。雙介質(zhì)諧振器法已經(jīng)成為我國的國家測試標(biāo)準(zhǔn)[2]，然而這種方法并不能直接得到薄膜微波表面電阻分布。國外研究人員為了能夠測量薄膜微波表面電阻的分布，通過對雙端短路介質(zhì)諧振器法進行了一定程度的改進，使其測量分辨率達到了直徑16 mm的圓面[3]。另外一種可以對微波表面電阻分布測試的方法是準(zhǔn)光學(xué)腔測試法[1]，該方法將高斯光斑打在超導(dǎo)薄膜樣品表面上，通過測試探頭的無載品質(zhì)因數(shù)，得到HTS薄膜的微波表面電阻；利用移動裝置微調(diào)移動支架，使高斯光斑能夠打在超導(dǎo)薄膜樣品表面上不同區(qū)域，實現(xiàn)HTS微波表面電阻分布的測試。然而該方法只具有中等的靈敏度與精度[4]，并且工作頻率需達到100 GHz左右，這樣高的工作頻率嚴(yán)重阻礙和限定了該方法在國內(nèi)的推廣普及應(yīng)用?？紤]到以上兩種測試方法各自的局限性，即高溫超導(dǎo)薄膜微波表面電阻分布測試裝置高分辨率與通用性不兼容問題，本文利用鏡像諧振器測試法相關(guān)原理，通過引入金屬環(huán)，研究了一種新的HTS薄膜微波表面電阻分布的測試方法。其工作頻率在32 GHz左右，較文獻[3]使用的準(zhǔn)光腔測試法(工作頻率為145 GHz)測試頻率降低了近5倍，工作頻率得到了大大的降低，工作條件易于實現(xiàn)；其分辨率為直徑5 mm，面積19.6 mm2的圓面，較文獻[1]使用的雙端短路單介質(zhì)諧振器法(分辨率為直徑16 mm，面積201.1 mm2的圓面)提高了10倍以上。

1 分布測試方法的理論

為了提高HTS薄膜微波表面電阻分布測試的分辨率，常用思路是使參與諧振器諧振的HTS薄膜面積減小，目前通用的可行手段是將介質(zhì)諧振器和腔體內(nèi)的能量高度匯聚。雙介質(zhì)諧振器法測微波表面電阻分布通過縮小諧振器徑向直徑來實現(xiàn)能量匯聚，減小參與諧振器諧振的HTS薄膜面積，以此達到較高的分辨率；準(zhǔn)光學(xué)腔測試法與光學(xué)聚焦的方法類似，將電磁能量高度匯聚，集中作用于超導(dǎo)薄膜的小片區(qū)域中，使該小片區(qū)域參與諧振器的諧振，實現(xiàn)較高的分辨率。

對于目前的鏡像介質(zhì)諧振器[5-6]理論模型來說，使介質(zhì)諧振器能量匯聚，提高分辨率需要縮小諧振器腔體的徑向直徑。然而由于腔體直徑變小，腔體壁損耗增加，諧振器的無載品質(zhì)因數(shù)值下降，測試靈敏度與精度都將降低。為了解決這個矛盾，在腔體里引入了低損耗的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，使腔體內(nèi)的能量達到一定程度的匯聚，并使參與諧振腔諧振的HTS薄膜的面積降低，以此來提高測試腔的分辨率。該方法不需要改變腔壁徑向直徑，諧振器能夠保持較高的無載品質(zhì)因數(shù)值，測試裝置的不確定度將降低，其測試腔結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 新的HTS薄膜微波表面電阻分布測試裝置

測試裝置由測試頭和待測樣品組成。測試頭由蘭寶石介質(zhì)柱、聚四氟乙烯支撐環(huán)、金屬環(huán)、屏蔽腔構(gòu)成，且要求它們同軸。整個裝置的能量主要集中在蘭寶石附近，支撐環(huán)主要用來固定蘭寶石，保持蘭寶石位置穩(wěn)定且始終與金屬屏蔽腔同軸。金屬環(huán)將介質(zhì)柱和腔體內(nèi)的能量匯聚，提高測試裝置的分辨率。待測樣品分別是與測試頭完全一致的校準(zhǔn)探頭、已知阻值的鍍金銅板、高溫超導(dǎo)薄膜。

新的分布測試方法在以往的鏡像介質(zhì)諧振器法的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過引入低損耗的金屬環(huán)，將腔體內(nèi)徑向電磁能量用金屬環(huán)來束縛，使得作用在超導(dǎo)薄膜表面上的電磁波能量產(chǎn)生一定程度的匯聚，達到提高測試分辨率的目的；同時由于金屬環(huán)的引入，諧振腔壁的直徑不再受限于樣品被測區(qū)域的尺寸，腔體直徑的選擇擁有更大的空間，可大大降低腔壁損耗導(dǎo)致的不利影響。由于新引入的金屬環(huán)很薄，且金屬環(huán)圓對稱的邊界條件僅會對局部電磁場形成束縛作用，并未切斷TE012+δ模式圓周方向的電流，因此鏡像介質(zhì)諧振器測試?yán)碚揫7-8]仍然適用。

新的HTS薄膜微波表面電阻分布測試裝置可以通過測量諧振腔的值來實現(xiàn)測量HTS薄膜s，進而實現(xiàn)對HTS薄膜微波表面電阻分布的測試。諧振腔的無載品質(zhì)因數(shù)為[8]：

式中，、是電磁場積分的比值，它僅與電磁場的分布情況有關(guān)。確定、的值的過程稱為“校準(zhǔn)”，其校準(zhǔn)步驟分別是加載與測試探頭完全一致的校準(zhǔn)探頭和加載金板的測試[8]，校準(zhǔn)過程不影響測試腔內(nèi)的電磁場分布。最后將高溫超導(dǎo)薄膜作為測試探頭的短路面，即待測樣品為超導(dǎo)薄膜時，測得此時測試探頭在諧振頻率時的無載品質(zhì)因數(shù)，就可得到HTS薄膜工作在諧振頻率下的微波表面電阻值為：

(2)

此時測得的就是與金屬環(huán)內(nèi)徑圓面所接觸到那部分HTS薄膜的阻值，然后通過移動HTS薄膜或測試探頭，實現(xiàn)HTS薄膜微波表面電阻分布的測試。

2 分布測試方法的仿真和分析

測試裝置諧振腔體的工作模式利用最常見的TE011+δ模作為其工作主模，通過運用電磁仿真軟件對腔體進行頭對頭仿真，發(fā)現(xiàn)諧振頻率下腔體的無載品質(zhì)因數(shù)和腔體的靈敏度都較低，不利于測試裝置進行相關(guān)的測試。本文改用TE012+δ模作為其工作主模，頭對頭仿真測試時，腔體在諧振頻率下的無載品質(zhì)因數(shù)得到了提高，保證了測試裝置的靈敏度。

對于測試裝置參數(shù)的確定，首先考慮到測試諧振腔的能量主要集中在介質(zhì)柱蘭寶石附近，故在仿真過程中，優(yōu)先確定蘭寶石的尺寸，最終確定了蘭寶石的直徑為3.8 mm，高度為3.8 mm。其次是確定金屬環(huán)的厚度，金屬環(huán)厚度越薄對測試腔體不利影響越小，并越有利于腔體內(nèi)能量匯聚。當(dāng)金屬環(huán)厚度為0.1 mm，頭對頭仿真時，無載品質(zhì)因數(shù)高達200 000，考慮到實際的加工制作，根據(jù)實際加工水平，將環(huán)狀結(jié)構(gòu)厚度定為0.2 mm，此時頭對頭仿真的無載品質(zhì)因數(shù)為160 000左右。通過腔體的仿真計算，最終確定的腔體主要結(jié)構(gòu)尺寸如下：金屬環(huán)內(nèi)徑5 mm，厚度0.2 mm；下空氣腔的直徑10 mm，高度8 mm；上空氣柱直徑1 mm，高度3 mm。

通過電磁仿真軟件模擬加載HTS薄膜時，其諧振頻率下的電磁場分布如圖2所示，圖2a為加載超導(dǎo)薄膜時的電場分布圖，圖2b為加載超導(dǎo)薄膜時的磁場分布圖。由該圖可知能量主要集中在蘭寶石附近，且其工作模式為TE012+δ模。

a. 電場????????b. 磁場

確定腔體尺寸后，在該尺寸下對HTS薄膜微波表面電阻分布測試裝置進行了頭對頭模擬仿真，其電磁場分布如圖3所示。由圖可知，測試探頭和校準(zhǔn)探頭的電磁場分布完全對稱，均是TE012+δ模。因加載校準(zhǔn)探頭進行校準(zhǔn)時，并不會改變測試腔內(nèi)的電磁場分布，所以以往的鏡像法校準(zhǔn)步驟依然適用于新的分布測試方法。

a. 電場????????b. 磁場

用電磁仿真軟件進行頭對頭模擬仿真時本征模的仿真結(jié)果如下：諧振頻率32.05 GHz，無載品質(zhì)因數(shù)0H為166 804，臨近模式的諧振頻率與諧振中心頻率相距0.3 GHz，很好地抑制了雜模干擾。由此時無載品質(zhì)因數(shù)，結(jié)合式(1)可以算出的值為6.00×10-6。用電磁仿真軟件進行了21頻率掃描，其結(jié)果如圖4所示。圖4中，諧振中心的工作頻率為31.92 GHz，此時21為-36 dB，諧振中心的工作頻率前后0.5 GHz范圍內(nèi)無其他雜模諧振，較好地抑制了其他雜模干擾。同時由于耦合裝置的引入，諧振中心的工作頻率相比本征模式的工作頻率有所偏移。

圖4 加載校準(zhǔn)探頭時的S21頻率掃描結(jié)果

在金板模擬仿真中，所加載的金屬是已知工作在12 GHz時阻值為16.67 mΩ的鍍金銅板。用電磁仿真軟件仿真后，其測試腔工作模式是TE012+δ模，工作頻率為32.05 GHz，無載品質(zhì)因數(shù)0N為3 3242，結(jié)合之前算出的值，可算出值為8.84×10-4。由此完成了腔體的校準(zhǔn)仿真。

加載金屬的21頻率掃描結(jié)果和加載超導(dǎo)的21頻率掃描結(jié)果圖形大致相同，因此本文只給出了加載超導(dǎo)時的21頻率掃描結(jié)果，如圖5所示。諧振中心的頻率為31.97 GHz，耦合還是中等耦合，21為-33 dB。在諧振中心工作頻率前后1 GHz范圍內(nèi)，無其他雜模諧振，較好地抑制了臨近雜模干擾，降低了測試的不確定度。

圖5 加載超導(dǎo)時的21頻率掃描結(jié)果

為驗證新的HTS薄膜微波表面電阻分布測試方法的不確定度，本文又模擬仿真了加載超導(dǎo)薄膜的情況。由于超導(dǎo)阻值與其工作頻率的平方成正比，因此將HTS薄膜微波表面電阻都?xì)w一化到溫度77 K、頻率在10 GHz時的s，以此為參考來對比仿真模擬算出的阻值和實際阻值的差距。加載超導(dǎo)薄膜時，測試探頭的無載品質(zhì)因數(shù)為0HTS，其最終結(jié)果如表1所示，表中，=6.00×10-6，=8.84×10-4。

表1 模擬對比加載不同超導(dǎo)薄膜仿真實驗

由上面的模擬仿真結(jié)果可知，新的測試模擬裝置具有較高的精度與準(zhǔn)確度，標(biāo)準(zhǔn)誤差均優(yōu)于0.005 4 mΩ，相對標(biāo)準(zhǔn)誤差均優(yōu)于1.8%。且超導(dǎo)薄膜阻值每變化0.05 mΩ，測試探頭的無載品質(zhì)因數(shù)將相應(yīng)的變化5 000左右，測試裝置的靈敏度也較高，能較好地滿足超導(dǎo)薄膜的測量，驗證了新測試方法的可行性。

3 實驗結(jié)果

基于前面的仿真，搭建了分布測試裝置，其測試結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 分布測試裝置

分布測試裝置在進行分布測試前，先進行校準(zhǔn)，即分別加載校準(zhǔn)腔和已知阻值的金板。其21頻率掃描結(jié)果分別如圖7和圖8所示。從圖7可知，加載校準(zhǔn)腔時，其工作在31.98 GHz，有載品質(zhì)因數(shù)為123 402。從圖8可知，加載金板時，工作頻率是31.96 GHz，有載品質(zhì)因數(shù)是26 103。再進行其對應(yīng)的11和22掃描，就可求出加載校準(zhǔn)腔和金板時的無載品質(zhì)因數(shù)。由此完成測試的校準(zhǔn)實驗。

基于本文的仿真結(jié)果和實驗結(jié)果，可以看出，實際制作的測試裝置相對理想仿真，無載品質(zhì)因數(shù)都有所下降。這主要是由于實際使用的蘭寶石和屏蔽腔內(nèi)壁表面粗糙度造成。然而，由于測試腔和校準(zhǔn)腔對稱，通過校準(zhǔn)實驗后進行分布測試的實驗結(jié)果是準(zhǔn)確的。

圖7 加載校準(zhǔn)腔S21頻率掃描結(jié)果

圖8 加載校準(zhǔn)金板21頻率掃描結(jié)果

為了解臨近模式對其工作諧振模式的干擾情況，對加載超導(dǎo)薄膜時21頻率曲線進行了寬帶掃描，其結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，在其諧振頻率周圍1.4 GHz的范圍內(nèi)無其他雜模干擾，很好地抑制了臨近模式的干擾。

圖9 加載超導(dǎo)時的寬帶21掃描結(jié)果

本文利用前面搭建的分布測試裝置以及校準(zhǔn)實驗結(jié)果進行了分布測試實驗，對一片在LAO襯底上制作兩英寸的雙面超導(dǎo)薄膜取了多點進行測試。通過移動超導(dǎo)薄膜，測試超導(dǎo)薄膜不同區(qū)域的阻值的大小實現(xiàn)分布測試，其測試結(jié)果如表2所示。表中的超導(dǎo)阻值都是基于超導(dǎo)阻值與頻率的關(guān)系都?xì)w一到77 k、10 GHz的大小，=6.98×10-6，=1.014× 10-3。

為了更形象地說明超導(dǎo)薄膜的分布測試結(jié)果，根據(jù)表2的測試結(jié)果，給出了這片超導(dǎo)薄膜的電阻分布示意圖如圖10所示。圖10a為表2中的數(shù)據(jù)在這片超導(dǎo)薄膜中對應(yīng)的區(qū)域，圖10b為對應(yīng)區(qū)域處的阻值大小。

表2 超導(dǎo)薄膜微波表面電阻的分布測試結(jié)果

a. 測試點位置示意圖????????b. 各測試點微波表面電阻值

4 結(jié)束語

新的HTS薄膜微波表面電阻分布測試方法能夠進行單片高溫超導(dǎo)薄膜s分布的測量，其工作在32 GHz左右，能夠?qū)崿F(xiàn)分辨率為直徑5 mm的圓面，很好地解決了高溫超導(dǎo)薄膜測試裝置通用性和分辨率不兼容的問題。另外，新的分布測試方法較好地抑制了臨近模式的雜模干擾，其諧振頻率1.4 GHz范圍無雜模干擾，測試靈敏度較高，降低了測試的不確定度。新的分布測試方法簡單方便，易于實現(xiàn)，只需進行簡單的校準(zhǔn)，就可以進行分布測試，有力支持了超導(dǎo)行業(yè)的發(fā)展。

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編 輯 漆 蓉

Study of Distribution Test Method of HTS Thin Film’ssUsing Metal Ring for Focusing

CHEN Liu, ZENG Cheng, CHU Qing-ru, ZHANG Jie, BU Shi-rong, and NING Jun-song

(School of Opto-Electronic Information, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054)

A new method for testing the distribution of the microwave surface resistance (s) of high temperature superconductor (HTS) is introduced in this paper. By using the mirror method and its relevant principles, the energy convergence of dielectric resonator and cavity is achieved and the incompatible problem between the versatility and high resolution ofof HTS thin film is solved through a metal ring. A testing device working at 32 GHz with TE012+δmode is developed according to this method. The resolution of the device can reach a circle with 5 mm in diameter and 19.6 mm2in area. In this paper, the distribution test ofswith thirteen points is conducted on a piece of two inch YBCO/LAO/YBCO superconductor thin film sample by this new testing device.

HTS; measure distribution; metal ring; resolution

TN98

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2017.01.021

2015-07-23;

2016-10-09

國家自然科學(xué)基金(61301055)

陳柳(1985-)，男，博士生，主要從事高溫超導(dǎo)薄膜微波非線性方面的研究.