測量用回音壁模式諧振器的制造方法
【專利摘要】一種測量用回音壁模式諧振器，包括：電介質諧振體，具有回轉軸線；超導體待測樣品，安裝到所述諧振體；耦合單元，將測量用波導連接到所述諧振體，其中：所述諧振體的與所述耦合單元連接的一側設置有第一端板，m個耦合孔穿過所述第一端板，所述m個耦合孔的圓心繞圓心在所述回轉軸線上的一個圓等距離間隔開；所述耦合單元的饋線為同軸波導，同軸波導的軸線與回轉軸線重合，同軸波導的垂直于其軸線的端面鄰靠所述第一端板布置；且諧振器中操作回音壁模式的軸向指數為耦合孔的個數m的整數倍。
【專利說明】測量用回音壁模式諧振器

【技術領域】
[0001]本發明屬于微波【技術領域】，涉及用于在毫米和亞毫米波長范圍內確定超導體表面阻抗的測量技術。

【背景技術】
[0002]對物質的微波特性的測量的精度和靈敏度取決于測量用諧振器的品質因子。諧振器的重要特性是在不進行預處理的情況下可以測量較小的樣品或薄膜形式的樣品。在研究高溫超導體(HTS)時，取決于微波場的強度的HTS膜微波特性的測量，即，對HTS非線性性質的測量是非常重要的。
[0003]包括超導體的導體的特征在于微波表面阻抗Zs = Rs+jXs，其中，Rs是表面電阻，JXs是表面電抗。測量表面阻抗Zs在技術上是為了確定超導體的微波特性，以及在技術上確定上述材料的微觀體系中的電子行為。
[0004]測量超導體的表面電阻Rs比較困難，因為其值非常小。例如，即使在液氮溫度(77K)在Ka-波段下，對于HTS YBa2Cu3O7^5而言Rs為5_7歐姆。通過增加頻率，Rs與頻率的平方f2成比例增加，這表示在高頻下可以增加測量的靈敏度。與具有普通表面效應的普通導體不同，對于所有的超導體，其表面電抗不等于表面電阻，從而必須測量[參見PhysicalProperties of High Temperature Superconductors V, Editor Donald M.Ginsberg//World Scientific Publishing C0.1996，471p]。
[0005]對于超導體而言，即使在溫度低于臨界溫度時表面電抗Xs顯著大于表面電阻，即Xs >> RsjXs也保持一個較小的值。當表面阻抗是微波場的強度或者其功率的函數時，超導體的非線性阻抗特性具有很大的科學和實踐上的重要性。
[0006]為了測量和研究超導體的微波阻抗特性，通常使用諧振器方法，因為該方法靈敏度和精度高。通常，在測量諧振器的品質因子的值以及諧振頻率時饋線與諧振器之間存在弱耦合，且上述測量的品質因子的值以及諧振頻率接近諧振器的本征特征。品質因子和諧振頻率含有有關樣品的電子物理特性的信息[參見Zh1-Yuan Shen, High-TemperatureSuperconducting Microwave Circuits.-Boston-London:Artech House,1994,272ρ.]。已知方法之間的區別僅在于所使用的諧振器的類型、樣品的形式、樣品放置到諧振器內的方式、研究的方法。
[0007]當測量超導體的非線性特性時，重要的是加強諧振器與傳輸饋線之間的耦合。這里，需要知道耦合系數的值以得到諧振器的本征品質因子。
[0008]一般地，相同的諧振器用于測量表面電阻Rs和表面電抗Xs。所有的阻抗特性測量方法中的最重要的特點在于它們的精度和靈敏度。精度和靈敏度取決于諧振器的總損失中的哪一部分是在超導體中(通常，在待測樣品中)的能量損失。超導體中的能量損失與普通金屬中的能量損失相比非常小，因此，理想的是完全不使用普通金屬。
[0009] 為了改進微波表面電阻的測量技術，已經提出使用圓柱體電介質諧振器，其中，導電端板以低次模式激勵。電介質襯底上的超導膜是這樣的導電端板[參見MazierskaJ.and Wilker Ch.Accuracy issues in Surface Resistance Measurements of HighTemperature Superconductors using Dielectric Resonators(corrected), IEEE Trans.App1.Supercond.-2001.-vol.11, Na 4.-P.4140-4147]。上述超導膜為測量對象。
[0010]該裝置的缺點在于在實際中難以通過過度減小諧振器的尺寸以在毫米和亞毫米波長范圍內使用具有低次模式的電介質諧振器，并且腔體與傳輸線的有效耦合也存在困難，該困難進一步降低了該測量方法的精度和靈敏度。
[0011]測量用回音壁模式諧振器克服了上述的缺點。測量用回音壁模式諧振器含有待測樣品，并且以電介質圓柱體盤作為諧振體，諧振體具有垂直于旋轉軸線的一個或兩個平基部，諧振體上安裝了高電導率材料的端板，電介質圓柱體盤設置有耦合單元，耦合單元具有從矩形標準波導到電介質波導形式的饋線的過渡部[參見CherpakN, Barannik A,Prokopenko Yu, Filipov Yu, Vitusevich S.Accurate Microwave Technique of SurfaceResistance Measurement ofLarge-area HTS Films using Sapphire Quas1pticalResonator//IEEE Trans, on Appl.Supercond.-2003.-vol.13, No 2.-P.3570-3573]? 諧振器以更高次模式激勵，即以回音壁模式激勵。該裝置也允許測量超導膜的表面電抗的溫度相關性[參見 CherpakN.T., BarannikA.A., Prokopenko Yu.V., VitusevichS.A.Microwave Impedance characterizat1n of large-area HTS films ；Novel Approach,Superconductivity Science and Technology,vol.17, Ns 7, p.899-903, 2004]。
[0012]上述測量用回音壁模式諧振器的缺點在于在一次測量中需要使用兩個膜，從而測量膜的單獨特性的次數增加。
[0013]測量用回音壁模式諧振器實現了對技術實質的最接近模擬，其含有待測樣品，具有電介質諧振體，電介質諧振體具有垂直于旋轉軸線的一個或兩個平基部，電介質諧振體上安裝了高電導率材料的端板，測量用回音壁模式諧振器設置有耦合單元，耦合單元具有從矩形標準波導到稱合單元的饋線的過渡部[參見Device for measurement ofsuperconductor surface impedance//Barannyk 0.A.,Bunyaev S.0., Prokopenko Yu.V.,Filipov Yu.F., Cherpak Μ.T.Declarative patent for utility model, UA,16620U,G01R27/04，2006]。測量用回音壁模式諧振器用于測量超導體的微波表面阻抗，所述超導體為由端板形式的高導電材料制成。為了在一次測量行為中測量膜的單獨特性，測量用回音壁模式諧振器制作為回轉電介質體，其一個基部鄰靠端板，該端板為待測超導膜。
[0014]在測量用回音壁模式諧振器中，以回音壁模式激勵，從而可以在毫米波長范圍內增加諧振器的尺寸。測量用回音壁模式諧振器的耦合單元具有從標準的矩形金屬波導到耦合單元的饋線的過渡部，所述耦合單元制造為電介質波導的形式，位于電介質諧振體的側表面的附近。電介質波導和金屬矩形波導由平滑的波導過渡部(或連接部)連接。
[0015]上述測量用回音壁模式諧振器的優點在于其可以在毫米和亞毫米波長范圍內測量超導體的阻抗。
[0016]但是，上述裝置以及上面提及的利用回音壁模式的其他測量用諧振器的主要缺點在于耦合單元，其在整體上劣化了測量用諧振器的性能。開放式電介質波導與測量用開放式電介質諧振器之間的電磁稱合在于在空間中存在一區域，該區域中諧振器的場與電介質波導的場彼此重疊。在開放式系統(利用空間可以實現耦合)中，這導致以下兩種效果:1)諧振器的場被電介質波導散射，從而減小了諧振器的本征品質因子；2)電介質波導的行波場被諧振器散射到空間中，由此降低了將能量傳遞到諧振器中的效率。電介質波導和諧振器放得越近，這兩個效果越強。上述效果的結果是測量系統的信噪比降低且存在系統(方法)測量誤差。在電介質波導和測量用諧振器放置得比較遠從而諧振器的場的散射可以忽略時，因為耦合系數降低，信號水平低，信噪比降低。另外，由于來自輸入波導的非諧振輻射信號與來自諧振器的有用信號兩者大小差別不大且在輸出波導中相互干擾，信噪比也降低。
[0017]在大距離處，雖然諧振散射的效果可以忽略，但是波導與測量用諧振器之間的耦合系數由此變小，這導致測量系統的整體上的信噪比降低。來自電介質波導的非諧振輻射導致在輸入波導與輸出波導之間的電動力學(electrodynamic)連接,這在非諧振福射信號與有用信號之間在輸出波導中產生干擾效果，從而使得測量用諧振器的調諧過程復雜化，也降低了信噪比。波導與諧振器之間距離較大時，因為非諧振輻射的功率可以與有用信號的功率相比較，非諧振輻射的效果不能忽略。


【發明內容】

[0018]作為本發明的基礎，本發明的目的是通過提出用于測量用回音壁模式諧振器的、與傳輸饋線耦合的新的耦合單元來改進該諧振器，該耦合單元可以增加適用于所選擇的回音壁模式的耦合單元的耦合系數，且諧振散射以及非諧振輻射均處于很低的水平。這大大提高了信噪比，并且獲得了以前難以獲得的機會來通過由諧振器反射的波來測量諧振器的特性。利用諧振器反射的波，如所知的，能夠準確計算耦合單元中的外部諧振器損失，由此可以降低通過諧振器方法測量樣品的材料特性的系統誤差，以及可以在毫米波和亞毫米波范圍的短波范圍內測量超導體的表面阻抗。
[0019]根據本發明的一個具體示例的測量用回音壁模式諧振器包括:電介質諧振體，具有回轉軸線；超導體待測樣品，安裝到所述諧振體；耦合單元，將測量用波導連接到所述諧振體，其中:所述諧振體的與所述耦合單元連接的一側設置有第一端板，m個耦合孔穿過所述第一端板，所述m個耦合孔的圓心繞圓心在所述回轉軸線上的一個圓等距離間隔開；所述耦合單元的饋線為同軸波導，同軸波導的軸線與回轉軸線重合，同軸波導的垂直于其軸線的一個端面鄰靠所述第一端板布置；且諧振器中操作回音壁模式的軸向指數為耦合孔的個數m的整數倍。
[0020]可選地，所述第一端板由高電導率材料制成。
[0021]可選地，所述第一端板為超導材料制成的薄膜。
[0022]可選地，所述諧振器還包括第二端板，所述第二端板與所述第一端板平行地布置在所述諧振體的另一側。所述第二端板可由高電導率材料制成，所述待測樣品可構成所述第二端板。所述諧振體的本體上可設置有徑向開槽，所述待測樣品置于所述徑向開槽內。
[0023]可選地，所述諧振器還包括電磁屏蔽或吸收材料，所述電磁屏蔽或吸收材料設置在相對的第一端板與第二端板的徑向外邊緣之間，以密封繞諧振體的腔室。
[0024]可選地，所述諧振體包括彼此形成為一體且回轉軸線重合的第一諧振部和第二諧振部，所述第一諧振部形成為與所述第一端板面接觸的端板或襯底，所述第二諧振部的半徑小于所述第一諧振部的半徑。進一步地，所述諧振器還包括第二端板，所述第二端板與所述第一端板平行地布置在所述諧振體的另一側，所述第二端板可由高電導率材料制成，所述待測樣品可構成所述第二端板。所述待測樣品為板的形式且在所述第二端板的面對所述第一端板的一側可與所述第二端板形成面接觸地安裝到所述第二端板上。
[0025]在上述的測量用回音壁模式諧振器中，所述諧振體可由藍寶石制成。
[0026]在上述的諧振器中，可選地，所述同軸波導被分為m個波導部，且所述m個波導部整體上具有m階旋轉對稱；每一個波導部含有一個對應的耦合孔。
[0027]所述同軸波導可為圓柱形波導且包括被多個金屬壁分開的m個波導部，進一步地，所述測量用波導可為矩形標準波導；且所述耦合單元還包括設置在矩形標準波導與所述圓柱形波導之間的過渡部。
[0028]可選地，所述測量用波導為矩形標準波導；所述m個波導部為m個矩形波導部。所述耦合單元還可包括設置在矩形標準波導與所述m個矩形波導部之間的過渡部?？蛇x地，m為4 ;所述過渡部包括:從具有Hltl模式的所述矩形標準波導到具有H2tl模式的矩形波導的第一過渡部、從具有H2tl模式的矩形波導到具有H2ciu模式的十字波導的平滑過渡部，以及從具有H.模式的十字波導到具有Hltl模式的所述m個矩形波導部的平滑過渡部。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為根據本發明的一個示例性實施例的測量用回音壁模式諧振器的示意圖；
[0030]圖2為圖1中的測量用回音壁模式諧振器的A-A截面圖；
[0031]圖3為根據本發明的一個示例性實施例的從矩形標準波導到同軸波導的過渡部的一半視圖，同軸波導被分為多個波導部；
[0032]圖4為根據本發明的一個示例性實施例的從矩形標準波導到耦合單元的同軸饋線的過渡部的示意圖，其中過渡部具有四個矩形波導部；
[0033]圖5為根據本發明的另外的示例性實施例的測量用回音壁模式諧振器的示意圖；
[0034]圖6為根據本發明的一個示例性實施例的具有一個耦合單元的測量用回音壁模式諧振器的等效電路；
[0035]圖7示出了兩個測量用回音壁模式諧振器的反射系數的頻譜圖，兩個測量用回音壁模式諧振器分別具有高電導率樣品和低電導率樣品，以及分別設置有4個耦合孔和8個耦合孔；以及
[0036]圖8示出了在孔半徑r = dh/2時測量用回音壁模式諧振器的耦合系數β、激勵效率n、加載品質因子以及本征品質因子Q。的示例。

【具體實施方式】
[0037]下面詳細描述本發明的實例性的實施例，實施例的示例在附圖中示出，其中相同或相似的標號表示相同或相似的元件。下面參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。
[0038]根據本發明的一個示例性實施例的測量用回音壁模式諧振器(以下簡稱諧振器)含有待測樣品1，具有電介質諧振體2，該電介質諧振體具有垂直于回轉軸線的一個或兩個平的基部，例如高導電材料制成的端板3、4安裝到所述諧振體。在使用諧振器的情況下，如圖1所示，端板3可以是樣品1，此時，樣品I由被研究的材料制成，例如，端板3可以是高溫超導薄膜。諧振器設置有耦合單元，所述耦合單元具有從矩形標準波導5到耦合單元的饋線的過渡部。
[0039]端板4確定諧振器的類型以及電動力學參數，并且同時是耦合單元的元件。
[0040]端板4可制造為薄膜的形式。m個耦合孔6穿過端板4且關于回轉軸線軸對稱設置，繞所述回轉軸線沿同一圓周等間隔定位。耦合孔6提供諧振器與耦合單元的饋線之間的電磁耦合。耦合單元的饋線設計為同軸波導7，同軸波導7的軸線與回轉軸線重合，同軸波導7的與同軸波導的軸線垂直的一個端面鄰靠所述薄膜，且諧振器中操作的回音壁模式的軸向指數為耦合孔6的個數m的整數倍。
[0041]如圖3所示，同軸波導7可被多個金屬壁分為m個波導部8，使得波導部8的整體具有m階的旋轉對稱。且同軸波導的波導部8的與同軸波導的軸線垂直的端面鄰靠所述薄膜(端板4)使得每一個波導部8含有一個耦合孔6。
[0042]波導部8可以用于多種目的，例如，選擇同軸波導7的模式(見圖3中給出的示例)或增加在耦合孔6處的場集中度(見圖4中給出的示例)。
[0043]除了同軸波導7以及薄膜上具有耦合孔6，本發明的耦合單元包括從同軸波導7到通常為矩形橫截面的波導5 (可以是矩形標準波導)的波導過渡部9。波導過渡部9可以為不同的類型。
[0044]波導5為測量用波導。需要指出的是，測量用波導可以使用任何其他適合測量目的的波導。
[0045]圖3和圖4示出了實踐中使用的波導過渡部9的兩個示例。圖3示出了從矩形波導5到分為多個波導部8的同軸波導的過渡部9的半個部分。整體上，過渡部9由兩個鏡像半部構成(圖3)。圖4示出了過渡部9由多個波導過渡部構成，S卩，從具有Hltl模式的矩形波導5到具有H2tl模式的矩形波導的過渡部，從具有H2tl模式的矩形波導到具有H2ciu模式的十字波導的平滑過渡部，以及從具有H.模式的十字波導到具有Hltl模式的四個波導部8的平滑過渡部。
[0046]諧振器包括由電介質制成的諧振體2，且具有一個或兩個端板3、4。回音壁模式可以在具有平的基部的各種形式的諧振器中激勵，例如，諧振器可以為如下形式:截頭圓錐、半球體。作為一個示例，圖1中諧振體2是藍寶石圓柱體盤。
[0047]為了減少損失，薄膜(端板4)可以由超導材料制成。圖5示出了此構思的示例。在此情況下，諧振體2由兩個藍寶石盤形成，一個藍寶石盤(左側直徑較大的盤)是超導材料(即端板4)的襯底。
[0048]諧振器還包括用于安裝諧振體2的銷10，利用電磁屏蔽或吸收材料11形成的圍繞諧振體2的室，用于使得諧振器免受外部影響。雖然圖5中沒有示出，圖5中也可類似地設置電磁屏蔽或吸收材料。
[0049]使用本發明的諧振器，可以研究不同尺寸和形狀的樣品的材料特性。樣品的材料和形狀決定了諧振器的具體結構。例如，圖5中的端板3限定諧振器的類型(具有導電端板的電介質盤諧振器)，以及同時，端板3本身是高導電材料的樣品I。
[0050]在其他情況下，樣品I可直接放置到諧振體2內，例如，如圖1中所示放置到諧振體2內的徑向開槽中。在此情況下，高電導率材料的端板3將僅確定諧振器的類型以及電動力學參數。
[0051 ] 下面說明諧振器的操作。
[0052]在使用具有m個耦合孔的薄膜(端板4)的諧振體2中，回音壁模式以方位角指數n = pm (P為自然數)激勵。待測樣品I使得諧振器的諧振頻率A以及本征品質因子Qtl發生變化。通過方案“on reflect1n”測量在諧振器與同軸波導7的任意耦合系數β處的上述變化。耦合系數β根據任務選擇，例如基于待測樣品I的類型以及給定的溫度區間，其中微波表面阻抗Zs必須被確定。
[0053]在端板3作為待測的高溫超導薄膜的樣品I時，考慮測量的一個具體情況，即，待測樣品I的表面電阻Rs。本征品質因子的倒數可以表示如下:
[0054]

【權利要求】
1.一種測量用回音壁模式諧振器，包括: 電介質諧振體，具有回轉軸線； 超導體待測樣品，安裝到所述諧振體； 耦合單元，將測量用波導連接到所述諧振體， 其中: 所述諧振體的與所述耦合單元連接的一側設置有第一端板，m個耦合孔穿過所述第一端板，所述m個耦合孔的圓心繞圓心在所述回轉軸線上的一個圓等距離間隔開； 所述耦合單元的饋線為同軸波導，同軸波導的軸線與回轉軸線重合，同軸波導的垂直于其軸線的一個端面鄰靠所述第一端板布置；且 諧振器中操作回音壁模式的軸向指數為耦合孔的個數m的整數倍。
2.根據權利要求1所述的測量用回音壁模式諧振器，其中: 所述第一端板由高電導率材料制成。
3.根據權利要求2所述的測量用回音壁模式諧振器，其中: 所述第一端板 為超導材料制成的薄膜。
4.根據權利要求1所述的測量用回音壁模式諧振器，其中: 所述諧振器還包括第二端板，所述第二端板與所述第一端板平行地布置在所述諧振體的另一側。
5.根據權利要求4所述的測量用回音壁模式諧振器，其中: 所述第二端板由高電導率材料制成。
6.根據權利要求5所述的測量用回音壁模式諧振器，其中: 所述待測樣品構成所述第二端板。
7.根據權利要求4-6中任一項所述的測量用回音壁模式諧振器，其中: 所述諧振體上設置有徑向開槽，所述待測樣品置于所述徑向開槽內。
8.根據權利要求7所述的測量用回音壁模式諧振器，其中: 所述諧振器還包括電磁屏蔽或吸收材料，所述電磁屏蔽或吸收材料設置在第一端板與第二端板的相對的徑向外邊緣之間，以密封繞諧振體的腔室。
9.根據權利要求1所述的測量用回音壁模式諧振器，其中: 所述諧振體包括彼此形成為一體且回轉軸線重合的第一諧振部和第二諧振部，所述第一諧振部形成為與所述第一端板面接觸的端板或襯底，所述第二諧振部的半徑小于所述第一諧振部的半徑。
10.根據權利要求9所述的測量用回音壁模式諧振器，其中: 所述諧振器還包括第二端板，所述第二端板與所述第一端板平行地布置在所述諧振體的另一側。
11.根據權利要求10所述的測量用回音壁模式諧振器，其中: 所述第二端板由高電導率材料制成。
12.根據權利要求11所述的測量用回音壁模式諧振器，其中: 所述待測樣品構成所述第二端板。
13.根據權利要求10或11所述的測量用回音壁模式諧振器，其中: 所述待測樣品為板的形式且在所述第二端板的面對所述第一端板的一側與所述第二端板形成面接觸地安裝到所述第二端板上。
14.根據權利要求1-13中任一項所述的測量用回音壁模式諧振器，其中: 所述諧振體由藍寶石制成。
15.根據權利要求1-14中任一項所述的測量用回音壁模式諧振器，其中: 所述同軸波導被分為m個波導部，且所述m個波導部整體上具有m階旋轉對稱； 每一個波導部含有一個對應的耦合孔。
16.根據權利要求15所述的測量用回音壁模式諧振器，其中: 所述同軸波導為圓柱形波導且包括被多個金屬壁分開的m個波導部。
17.根據權利要求16所述的測量用回音壁模式諧振器，其中: 所述測量用波導為矩形標準波導； 所述耦合單元還包括設置在矩形標準波導與所述圓柱形波導之間的過渡部。
18.根據權利要求15所述的測量用回音壁模式諧振器，其中: 所述測量用波導為矩形標準波導； 所述m個波導部為m個矩形波導部。
19.根據權利要求18所述的測量用回音壁模式諧振器，其中: 所述耦合單元還包括設置在矩形標準波導與所述m個矩形波導部之間的過渡部。
20.根據權利要求19所述的測量用回音壁模式諧振器，其中: m為4 ; 所述過渡部包括:從具有Hltl模式的所述矩形標準波導到具有H2tl模式的矩形波導的第一過渡部、從具有H2tl模式的矩形波導到具有H2ciu模式的十字波導的平滑過渡部，以及從具有H.模式的十字波導到具有Hltl模式的所述m個矩形波導部的平滑過渡部。
【文檔編號】H03B1/00GK104076205SQ201410076763
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年3月4日 優先權日:2013年3月4日
【發明者】孫亮, 王旭, 王佳, 吳云, 何豫生, 黎紅, 黃江鳴, 羅勝, 米可拉契爾帕克, 瓦勒里斯科里薩諾夫, 奧利科山德爾巴爾安尼克 申請人:中國科學院物理研究所, 北京華戎天創超導科技發展有限公司, 北京科技大學, 烏克蘭科學院無線電物理電子研究所