基于谐振模式融合的HTS薄膜微波非线性特性连续频谱测量方法研究

In the existing HTS thin film microwave nonlinear resonator measurement methods, the ones using fundamental wave can only detect the nonlinearity at a single frequency. The nonlinearity at discrete frequencies can be measured by using harmonic and the high order modes. However, the regions of film involved are different due to the different distribution of electromagnetic field operating at different frequencies. The obtained nonlinear frequency response can not effectively reflect the characteristics of the film. Based on this, this project proposes a microwave nonlinear continuous frequency measurement theory of HTS thin films based on resonant mode merging technology. The innovation is as follows: to explore the resonant mechanism of the dielectric rod resonator under dielectric loading, especially the electromagnetic field distribution of TE01n mode in dual dielectric; to explore the theoretical model of continuously adjustable resonator operating frequency when the surface current distribution of the measured area remains constant; to explore a multi-port with equal phase electromagnetic field excitation model for circular symmetry mode in dual-dielectric resonant system, in order to strictly control the electromagnetic field distribution of the working mode. Based on the above research, a non-destructive testing device for the frequency domain response of single-chip high-temperature superconducting thin films would be developed. Thus the characteristic of HTS thin film microwave nonlinearity in another dimension could be described. A means for the nonlinear theoretical model verification, information for the preparation of HTS thin films and predictions for the performance of devices could be provided.

现有高温超导薄膜微波非线性谐振器测试法，利用基波仅能检测到单个频率处的非线性，采用谐波和高次模同时工作能测得离散频率下的非线性，但由于各工作频率下电磁场分布不同，作用区域各异，获得的非线性频率响应亦不能有效反应薄膜的特征。基于此，本项目提出一种基于谐振模式融合技术的高温超导薄膜微波非线性连续频率测试理论，其创新研究如下：研究介质加载下的介质柱谐振器的谐振机制，特别是TE01n模式下的双介质电磁场分布特性；探究被测区域表面电流分布保持不变情况下，谐振器工作频率连续可调的理论模型；研究应用于双介质结构谐振系统中圆对称模式的多端口等相位电磁场激励模型，对工作模式的电磁场结构进行严格控制。结合以上研究内容研制出针对单片高温超导薄膜微波非线性特性频域响应的无损测试装置，为表征高温超导薄膜微波非线性提供多一个维度的素材，为非线性理论模型提供验证手段，为超导薄膜制备提供参考，为所设计器件的指标做出预判。

高温超导薄膜非线性效应的研究一直是人们所关心的话题，从基于高温超导机理的研究角度，到出于高温超导材料研制的考虑，再到高温超导滤波器功率容量和三阶交调点的考察。高温超导薄膜的非线性测试对机理研究和器件设计均具有重要意义。.本项目主要对三个内容进行了研究：.1.基于介质加载下的介质谐振器中TE(01(1+δ)⁄2(0<δ<1)模式的谐振机制进行探究，选择了介质端面加载技术，在工作频率变化过程中，保证了对样品表面电流分布的相对稳定，测试面基本不变，确保了测试的有效性；对各种谐振模式电磁场特征进行了提取，通过破坏非工作模式谐振条件以及增加非工作模式损耗的方式，保证工作模式的相对纯净，保障测试的准确性。.2．研究了双介质结构谐振系统特殊的电磁场激励机制，避免了加载介质过程中双谐振回路现象的产生。.3．研究了可调金属损耗的谐振腔结构，使工作模式的品质因数可灵活选择，同时采用校准方法扣除金属损耗对测试结果的干扰，为探究不同频率间隔状态下超导薄膜的三阶交调特性提供了有效手段。.本项目基于介质加载的方法，研制出了针对高温超导薄膜不同频率下微波表面电阻的测试装置。在蓝宝石位移量为8mm变化范围内，该测试装置工作频率由4.97GHz到5.48GHz的变化，并采用谐振腔壁调谐技术，达到了工作模式无载品质因数调节的效果（33500-153000@5.35GHz）。对一片YBCO/LAO/YBCO两英寸双面薄膜的非线性进行了测试，在测试频率处当谐振腔中循环功率为1W时，三阶互调比为35.0dBc，由此可计算三阶交调点为47.5dBm。同时，采用该测试系统对多片Tl2Ba2CaCu2O8从77K到112K-125K以1K为步进，在不同温度条件下和不同激励功率下（-15dBm，-7dBm，0dBm）的微波表面电阻进行了测试。.本项目采用由高温超导薄膜构造的介质谐振器，无需对超导薄膜进行预处理，可针对单片高温超导薄膜微波非线性在一段频率范围中的既定频率上进行测试，对其在频域中特性的描述提供有力支持，从而有利于超导机理研究，材料的制备和器件的制作。