HTS薄膜微波表面电阻分布的镜像介质谐振器测量方法研究

To establish an accurate and effective method for measuring the microwave surface resistance (Rs) distribution of high temperature superconducting thin film (HTSTF) is significant for the research, fabrication and application of HTSTF. In the mechanism research of superconductor, the relationships between Rs and other physical quantities such as frequency and temperature deduced by theory model require verification by experiment. Proper adjustment could be made according to the testing results of the Rs distribution during the manufacturing process of HTSTF. In the aspect of device design, the design efficiency of high performance superconductor microwave passive device can be guaranteed by measuring the Rs distribution of HTSTF accurately. At present, the distribution of electromagnetic field of traditional dielectric resonator method is too loose to measure the Rs distribution of HTSTF with high resolution, while the frequency of quasi optical resonator method is too high to construct a universal measurement system. Therefore, a novel theory model which can applied conveniently for the Rs distribution measurement with high resolution is need. Based on the image dielectric resonator method, this research attempts to focus electromagnetic energy on HTSTF at relatively low frequency and to solve the limitations of traditional dielectric resonator in achieving both high accuracy and resolution.

探索一种针对高温超导薄膜表面电阻分布的准确且高效测试手段，无论对高温超导薄膜的研究、制备还是应用都具有重要的意义。在超导理论研究过程中，需要依靠实验方法对超导材料微波电阻随频率、温度等物理量的变化关系等理论结果进行验证；在薄膜的制作过程中，其微波表面电阻分布的检测有利于制作工艺的调整；在设计微波无源器件时，薄膜微波表面电阻分布的准确提取可保证高性能超导微波器件的设计效率。目前，传统的介质谐振器测试方法电磁场分布较为松散，并不适合应用于薄膜表面电阻分布这种小尺寸下的测试；而工作频率通常在3mm波段的准光腔测试手段，对测试系统的要求颇高。因此，本研究旨在建立一种通用且具有高分辨率的超导薄膜微波表面电阻分布测试手段。研究拟基于镜像介质谐振器法，在较低工作频率实现电磁场能量的汇聚，解决传统介质谐振器测试理论模型中高测试准确度和高分辨率难以兼顾的局限性。

高温超导薄膜在液氮温区的微波表面电阻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。需要一种通用高效的测试方法对高温超导薄膜微波表面电阻分布这一关键指标进行测试，为超导产业化进程提供有力支撑。.本项目构造了一种新的介质谐振器结构，使得谐振工作模式在保持高品质因数的前提下取得电磁场汇聚的效果，从而在较低工作频率时实现较高的分辨率；对结构变化后的谐振腔谐振模式进行了分析，扣除了复杂边界条件造成的谐振模式畸变对解析分析带来的不利影响，并建立了高温超导薄膜被测试区域微波表面电阻与谐振腔无载品质因数和谐振频率等可直接进行测量值之间的函数关系。.该测试方法工作模式为TE012+δ（0<δ<1），工作频率为32GHz，测试系统由测试底座和可拆卸金属环组成。测试分辨率由金属环直接控制，装配不同内径的金属环可获得直径从4mm到10mm的各种分辨率。其中，当分辨率为直径5mm，面积19.6mm2的圆面时，无载品质因数值大于140000，测试装置的测试不确定度为5.8%，优于国际标准中对Rs测试不确定度小于20%的规定。.本研究基于镜像介质谐振器法，利用薄壁金属环在较低工作频率实现电磁场能量的汇聚，并采用校准的方法解决了非规则边界条件谐振腔几何因子难以获取解析解的难题，第一次突破了传统谐振器法测试理论模型中高测试准确度和高分辨率难以兼顾的局限性，最终建立了一种通用且具有高分辨率的超导薄膜微波表面电阻分布无损测试方法。研究实现了对微波表面电阻分布这一能反映薄膜的局部微波特性进行有效检测的手段，在径向尺寸小的谐振条件下通过校准手段，扣除了耦合机构自身较大损耗对低损耗测试样品产生的损耗附加效应，使测试值真实反映了样品的微波表面电阻特性。本研究对超导理论的研究、新型超导薄膜材料的研究、成熟材料的制备以及高性能超导微波无源器件的设计均具有重要意义。