GB/T 22586-2008 高温超导薄膜微波表面电阻测试

犐犆犛７７．０４０．９９

犎２１

中华人民共和国国家标准

／—／：

犌犅犜２２５８６２００８犐犈犆６１７８８７２００６

高温超导薄膜微波表面电阻测试

犕犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋狊狅犳狊狌狉犳犪犮犲狉犲狊犻狊狋犪狀犮犲狅犳犺犻犺狋犲犿犲狉犪狋狌狉犲狊狌犲狉犮狅狀犱狌犮狋狅狉狋犺犻狀

犵狆狆

犳犻犾犿狊犪狋犿犻犮狉狅狑犪狏犲犳狉犲狌犲狀犮犻犲狊

国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页狇

（：，—

ＩＥＣ６１７８８７２００６Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ

，）

ＳｕｒｆａｃｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｓｕｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓａｔｍｉｃｒｏｗａｖｅｆｒｅｕｅｎｃｉｅｓＩＤＴ

ｐｑ

２００８１２１５发布２００９０５０１实施

中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局

发布

中国国家标准化管理委员会

／—／：

犌犅犜２２５８６２００８犐犈犆６１７８８７２００６

目次

前言Ⅲ

引言Ⅳ

１范围１

２规范性引用文件１

３术语和定义１

４要求１

５装置１

５．１测试系统１

５．２犚测试腔体２

Ｓ

５．３介质柱２

６测试步骤４

６．１样品准备４

６．２系统构建４

６．３参考电平的测试４

６．４谐振器频响特性的测试５

超导薄膜的表面电阻、标准蓝宝石柱的和的确定

６．５犚′ｔａｎ６

Ｓεδ

测试方法的精密度和精确度国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

７７

７．１表面电阻７

７．２温度７

７．３样品和支撑结构８

７．４样品的保护８

８测试报告８

８．１被测样品的标识８

８．２犚值报告８

Ｓ

８．３测试条件报告８

附录（资料性附录）与第章第章相关的附加资料

Ａ１～８９

参考文献１７

图使用制冷机测试犚随温度变化特性的装置图２

１

Ｓ

图典型的测试腔体示意图

２犚３

Ｓ

图３（）温度下的插入损耗、谐振频率和半功率点带宽

犜Ｋ犐犃５

犳Δ犳

０

图反射系数（和）

４犛犛６

１１２２

图表中术语的定义

５４７

图Ａ．１各种测量微波表面电阻犚方法结构示意图９

Ｓ

图Ａ．２两端由两片沉积在介质基片上的超导薄膜短路圆柱形介质谐振器的几何结构１１

图Ａ．３ＴＥ模式的和关系的计算结果

狌狏犠狏１１

０１狆

图Ａ．４测量犚、的标准介质柱的电磁场结构

ｔａｎ１２

Ｓδ

图Ａ．５三种形式的谐振器的结构示意图１２

［］

图Ａ．６设计平行超导薄膜两端短路的ＴＥ谐振器的模式图２０１３

０１１

Ⅰ

／—／：

犌犅犜２２５８６２００８犐犈犆６１７８８７２００６

［］

图Ａ．７设计平行超导薄膜两端短路的ＴＥ谐振器的模式图２０１４

０１３

图Ａ．８闭合式ＴＥ谐振器的模式图１５

０１１

图Ａ．９闭合式ＴＥ谐振器的模式图１６

０１３

表、、时标准蓝宝石介质柱的典型尺寸

１１２ＧＨｚ１８ＧＨｚ２２ＧＨｚ４

表、、时超导薄膜的尺寸

２１２ＧＨｚ１８ＧＨｚ２２ＧＨｚ４

表矢量网络分析仪的参数

３７

表蓝宝石介质柱参数

４７

国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

Ⅱ

／—／：

犌犅犜２２５８６２００８犐犈犆６１７８８７２００６

前言

本标准等同采用：《电子性能测量微波频率下超导体的表面电阻》（英文版），在

ＩＥＣ６１７８８７２００６

技术内容上与该国际标准一致。为了便于使用，本标准做了下列编辑性修改：

ａ）用“本标准”代替“本国际标准”。

）将“／引言”改为“引言”等有关内容。

ｂＩＥＣＴＣ９０

）用小数点“”代替作为小数的“，”。

ｃ．

本标准的附录为资料性附录。

Ａ

本标准由国家超导技术联合研究开发中心和全国超导标准化技术委员会提出。

本标准由全国超导标准化技术委员会归口。

本标准负责起草单位：电子科技大学。

本标准参加起草单位：清华大学、南京大学、中国科学院物理研究所。

本标准主要起草人：罗正祥、刘宜平、李宏成、吉争鸣、郑东宁、许伟伟、张其劭、魏斌、曾成。

国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

Ⅲ

／—／：

犌犅犜２２５８６２００８犐犈犆６１７８８７２００６

引言

自从一些钙钛矿结构铜氧化合物发现以来，国际上对高温氧化物超导体开展了广泛的研究与开发

工作，在高磁场设备、低损耗能量传输、电子学和许多其他技术领域的应用正在取得很大的进步。

在电子学的许多领域，特别是在电信领域，微波无源器件，例如超导滤波器，正在发展之中，并且已

［，］

１２

经进入现场试验阶段。

用于微波谐振器、滤波器、天线和延迟线的超导材料具有损耗非常低的优点。超导材料损耗特性对

新材料的开发和对超导微波器件的设计，都非常重要。超导材料微波表面电阻犚Ｓ和表面电阻随温度

的变化特性，是设计低损耗微波器件所需要的重要参数。

高温超导（）薄膜的最新进展，即它的值比一般金属低几个数量级，更增加了对用于测试这

ＨＴＳ犚Ｓ

［，］

个特性３４的可靠技术的需要。传统的测量铌和其他低温超导材料的的方法是：用被测材料制作一

犚Ｓ

个三维谐振腔，测试其值，通过计算电磁场在腔内的分布可以求得值。另外一种技术是在一个较

犙犚Ｓ

大的腔体内放入一个小样品。这种技术有许多形式，但是由实验测得的腔体总损耗计算高温超导薄膜

的损耗时，通常都包含了所引入的不确定度。

最好的高温超导薄膜是生长在平坦单晶衬底上的外延薄膜，到目前为止，在弯曲表面上还未能生长

出高质量的薄膜。对犚Ｓ测量技术的要求是：可以用小的平坦的样品；不需要对样品做任何加工；不会

损坏或改变样品；高重复性；高灵敏度（低至铜表面电阻的千分之一）；动态范围大（高至铜的表面电阻）；

中等功率输入时可激励高的内部功率；温度变化范围宽（）。

４．２Ｋ１５０Ｋ

～

［，，］国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

在数种确定微波表面电阻的方法５６７中，我们选择了介质谐振器法，因为到目前为止，这种方法是

最受欢迎和最实用的。特别是，蓝宝石谐振器是一种测试高温超导材料微波表面电阻犚Ｓ的极好

［，］

工具８９。

本标准给出的测试方法也可应用于包括低临界温度材料在内的其他平板状超导块材。

本标准目的是给目前在电子学和超导体技术领域工作的工程师，提供一个适当的、得到认可的

技术。

本标准涵盖的测试方法是建立在ＶＡＭＡＳ（凡尔赛先进材料和标准项目）确定超导薄膜特性预标准

化工作的基础之上的。

Ⅳ

／—／：

犌犅犜２２５８６２００８犐犈犆６１７８８７２００６

高温超导薄膜微波表面电阻测试

１范围

本标准规定了在微波频率下利用双谐振器法测试超导体表面电阻的方法。测试目标是在谐振频率

下随温度的变化。

犚Ｓ

本标准适用于表面电阻的测试范围如下：

———频率：

８ＧＨｚ＜犳＜３０ＧＨｚ

———测试分辨率：（）

０．０１ｍ＝１０ＧＨｚ

Ω犳

测试报告给出在测试频率下的表面电阻值，并且给出利用犚∝２的关系折合到１０ＧＨｚ的值。

Ｓ犳

２规范性引用文件

下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有

的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究

是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。

／—电工术语超导电性（：，）

ＧＢＴ１３８１１２００３ＩＥＣ６００５０８１５２０００ＥＱＶ

３术语和定义

本标准中术语和定义已在／—中给出。

ＧＢＴ１３８１１２００３

国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

一般地，导体（包括超导体）的表面阻抗定义为导体表面电场切向分量犈ｔ与磁场切向分量犎ｔ

之比：

／

犣＝犈犎＝犚＋犡

ＳｔｔＳｊＳ

式中：

犚Ｓ———表面电阻；

犡Ｓ———表面电抗。

４要求

给加载超导薄膜样品的介质谐振器输入微波信号，通过测试介质谐振器在不同频率下的衰减可得到超导

薄膜表面电阻。测试频率在谐振频率中心附近扫描，记录下衰减频响特性可得到与损耗相关的值。

犚犙

Ｓ

当测试温度在３０Ｋ８０Ｋ之间时，这种方法的目标精密度，即变异系数（定义为标准偏差除以表

～

面电阻平均值）低于２０％。

为了保证测试者的安全和健康，使用前应建立适当的安全措施，并做一些限制。

这种类型的测试存在一定的危险。测试需要使用制冷设备对超导体进行冷却，使其处于超导态。

皮肤和冷腔体的直接接触，与液氮溅落在皮肤表面上一样，都会迅速引起冻伤。射频信号发生器是测试

材料高频特性的功率源。如果功率太高并直接辐射人体，会引起人体烧伤。

５装置

５．１测试系统

图是微波测试所需的系统示意框图。此系统由网络分析仪（测试传输特性）、测试腔体和用来监

１

测温度的温度计组成。

由一个合适的微波源，例如一个频综扫频源产生一定的入射功率，输入到固定在测试装置内的介质

１

／—／：

犌犅犜２２５８６２００８犐犈犆６１７８８７２００６

谐振器中。网络分析仪的屏幕上可显示谐振器的传输特性。

测试腔体固定在一个温度可控制的制冷设备内。

建议使用矢量网络分析仪来测试超导薄膜的。因为矢量网络分析仪动态范围宽，比标量网络分

犚Ｓ

析仪具有更好的测试精确度。

图使用制冷机测试随温度变化特性的装置图

１犚

犛

５．２犚测试腔体

犛

图是一个典型的测试腔体（闭合式谐振器）示意图，用来测试沉积在平坦衬底上的超导薄膜的

２

犚Ｓ。上端的超导薄膜用一个磷青铜制成的弹簧压紧。建议使用平板型弹簧，因为这种类型的弹簧减小

了弹簧和装置其他部分之间的摩擦，并且容许因介质柱的热膨胀引起的超导薄膜的平滑移动，这样可以

国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

改进测试精确度。为了把测试误差减到最小，蓝宝石介质柱和铜环应同轴放置。

测试谐振器传输特性的两个半刚性电缆应轴对称（＝０和，是沿蓝宝石介质柱中心轴的旋转

ΦπΦ

角）的放置在谐振器的两边。两个半刚性电缆的末端各有一个小环。为了抑制ＴＭｍｎ０杂模，环面应与超

导薄膜表面平行。测试之前应仔细检查耦合环焊接处是否有裂纹，因为反复热循环可导致裂纹扩大。

通过左右移动电缆可以调节插入损耗（）。在调节中，要抑制介质谐振模式和杂模的耦合。因为杂模

犐犃

的寄生耦合会降低模谐振器的高值。为了抑制寄生耦合，应更多关注高值介质谐振器的设

ＴＥ犙犙

计。除图所示的闭合式谐振器外，也可以使用另两种类型的谐振器，参见。

２Ａ．４

由一根半刚性电缆制成的参考线可以用来确定传输功率电平的参考电平。这根电缆的长度等于测

试腔体两根耦合电缆长度之和。建议采用外直径为１．２０ｍｍ的半刚性电缆。

为了减小测试误差，被测的两片高温超导薄膜应互相平行放置。为了保证高温超导薄膜样品与蓝

宝石柱端面紧密接触，没有空气间隙，薄膜表面与蓝宝石柱端面都要仔细清洗。

５．３介质柱

从一个蓝宝石圆柱上切割出两个介质柱，使它们具有相同的相对介电常数和损耗角正切ｔａｎ。

′

εδ

这样两个介质柱（作为标准介质柱）具有相同的直径，不同的高度：一个的高度是另一个的倍。

３

最好使用低ｔａｎ值的标准介质柱，以达到所需要的测试精确度。建议使用在时值

犚７７Ｋｔａｎ

δＳδ

小于－６的蓝宝石介质柱。为了减小超导薄膜的测试误差，蓝宝石介质柱的两个端面应抛光并相

１０犚Ｓ

互平行且与柱轴垂直。第章中描述了蓝宝石介质柱的规格。

７

ＴＥ模式和其他杂模的耦合会引起无载品质因数犙值的降低，因此标准蓝宝石介质柱的直径和高

度要仔细设计，以抑制和模与其他，和模的耦合。描述了标准蓝宝石介质

ＴＥＴＥＴＭＨＥＥＨＡ．５

０１１０１３

柱的设计指南。表是谐振频率分别为、、时标准蓝宝石介质柱的典型尺寸。

１１２ＧＨｚ１８ＧＨｚ２２ＧＨｚ

频率越高，无载品质因数犙值越低，这将使测试更加容易，误差更低。

２

／—／：

犌犅犜２２５８６２００８犐犈犆６１７８８７２００６

国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

图典型的测试腔体示意图

２犚

犛

３

／—／：

犌犅犜２２５８６２００８犐犈犆６１７８８７２００６

表、、时标准蓝宝石介质柱的典型尺寸

１１２犌犎狕１８犌犎狕２２犌犎狕

频率／介质柱直径／高度／

ＧＨｚ犱ｍｍ犺ｍｍ

短柱（模式）

ＴＥ１１．４５．７

０１１

１２

长柱（模式）１１．４１７．１

ＴＥ

０１３

短柱（模式）

ＴＥ７．６３．８

０１１

１８

长柱（模式）７．６１１．４

ＴＥ

０１３

短柱（模式）

ＴＥ６．２３．１

０１１

２２

长柱（模式）６．２９．３

ＴＥ

０１３

６测试步骤

６．１样品准备

从误差方面分析，薄膜的直径应该大致大于蓝宝石介质柱直径的三倍。当满足这个条件时，在测试

的目标精密度为２０％的前提下，可以忽略由于ＴＥ和ＴＥ模式辐射损耗不同所造成的精密度的降

０１１０１３

低。薄膜的厚度应该大致大于各个温度下伦敦穿透深度（Ｌｏｎｄｏｎｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｄｅｔｈ）的三倍。如果薄

ｐｐ

膜的厚度远小于伦敦穿透深度的三倍，测试得到的犚Ｓ应理解为等效的表面电阻。

表给出了本标准建议的频率分别为、、的标准蓝宝石介质柱所对应的超

２１２ＧＨｚ１８ＧＨｚ２２ＧＨｚ

导薄膜的尺寸。

表、、时超导薄膜的尺寸

２１２犌犎狕１８犌犎狕２２犌犎狕

国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

标准介质柱超导薄膜

频率／直径／ｍｍ直径／厚度／

ＧＨｚ犱犱′ｍｍμｍ

１２１１．４＞３５≈０．５

１８７．６＞２５≈０．５

２２６．２＞２０≈０．５

对于闭合式谐振器，在设计超导薄膜尺寸时应考虑两片超导薄膜之间的铜圆柱腔的大小。Ａ．６给

出了闭合式谐振器中铜圆柱腔尺寸的设计指南。

６．２系统构建

按照图所示的结构建立测试装置。因为高的湿度会降低无载品质因数的值，所有测试腔体、

１犙

标准蓝宝石介质柱和超导薄膜都应处于清洁、干燥的状态。样品和测试腔体固定在温度可控制的制冷

设备内，且样品腔要处于真空状态。用二极管温度计或热电偶测量超导薄膜和标准蓝宝石介质柱的温

度。在测试腔体上覆盖铝箔或在样品腔内填充氦气，可使上下两端的超导薄膜和标准蓝宝石介质柱的

温度尽可能保持一致。

６．３参考电平的测试

首先测量传输功率电平（参考电平）。因为测试精确度和测试信号电平有关，所以频综扫频源的输

出功率要固定，而且低于１０ｍＷ。将半刚性参考电缆连接到输入端和输出端。然后，在整个测试频率

和温度范围内测试传输功率电平，将其作为参考电平。当腔体的温度由室温变为最低测试温度时，参考

电平会改变几个分贝。因此，参考电平随温度的变化必须考虑在内。

４

／—／：

犌犅犜２２５８６２００８犐犈犆６１７８８７２００６

图（）温度下的插入损耗、谐振频率和半功率点带宽

犜犐犃

３犓

犳Δ犳

０

６．４谐振器频响特性的测试

通过测试ＴＥ和ＴＥ谐振器的谐振频率和无载品质因数，可得到表面电阻随温度的变

犳犙犚

０１１０１３０ｕＳ

化，测试过程如下：

）在输入端和输出端之间连接好测试腔体（图）。将标准短蓝宝石介质柱放置在下端的超导薄

ａ１

膜中心，并使它距两个半刚性电缆耦合环的距离相等，以使得这种传输型谐振器与两个环的耦

合度相等。再将上方的超导薄膜轻轻放在蓝宝石介质柱的上端。注意不要因太大的压力损坏

超导薄膜表面。将样品腔体抽真空并冷却至临界温度以下。

ｂ）在的设计频率值附近，找到介质谐振器的ＴＥ模谐振峰。

犳

００１１

国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

）减小屏幕上的扫频宽度，直到仅显示模谐振峰（图）。确认这种模式的插入损耗