GB/T 22586-2018 电子学特性测量 超导体在微波频率下的表面电阻

ICS77.040.99

H21

中华人民共和国国家标准

/—

GBT225862018

代替/—

GBT225862008

电子学特性测量

超导体在微波频率下的表面电阻

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—

ElectroniccharacteristicmeasurementsSurfaceresistanceof

suerconductorsatmicrowavefreuencies

pq

(:,—:

IEC61788-72006SuerconductivitPart7Electroniccharacteristic

py

—

measurementsSurfaceresistanceofsuerconductorsatmicrowave

p

,)

freuenciesMOD

q

2018-03-15发布2018-10-01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

/—

GBT225862018

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………………………2

5.1测试系统……………2

5.2RS测试腔体…………………………2

5.3介质柱………………3

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……………………5

6.4谐振器频响特性的测试……………5

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、

超导薄膜的表面电阻标准蓝宝石柱的和的确定……

6.5RSε'tanδ6

7测试方法的精密度和精确度……………7

7.1表面电阻……………7

7.2温度…………………8

7.3样品和支撑结构……………………8

7.4样品的保护…………………………9

8测试报告…………………9

8.1被测样品的标识……………………9

8.2RS值报告……………9

8.3测试条件报告………………………9

()……………

附录资料性附录与第章第章相关的附加资料

A1~810

()………

附录规范性附录改进型镜像介质谐振器法

B19

()………

附录资料性附录与附录相关的附加资料

CB25

参考文献……………………28

图使用制冷机测试随温度变化特性的装置图……………………

1RS2

图典型的测试腔体示意图…………

2RS3

(),…………………

图3TK温度下的插入损耗IA谐振频率和半功率点带宽Δ5

f0f

图反射系数(和)…………………6

4SS

1122

图表中术语的定义……………………

548

Ⅰ

/—

GBT225862018

图各种测量微波表面电阻方法结构示意图…………………

A.1RS10

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……………12

图模式的和关系的计算结果…………………

A.3TEu-νW-ν13

01p

……………………

图测量、的标准介质柱的电磁场结构

A.4Rtanδ13

S

图A.5三种形式的谐振器的结构示意图………………14

[]

20

图A.6设计平行超导薄膜两端短路的TE谐振器的模式图……15

011

[]

20

图A.7设计平行超导薄膜两端短路的TE谐振器的模式图……16

013

图A.8闭合式TE谐振器的模式图……………………17

011

图A.9闭合式TE谐振器的模式图……………………18

013

图B.1测试系统示意图…………………19

图B.2典型的改进型镜像介质谐振器法谐振装置安装示意图………20

图B.3测试探头加载被测样品示意图…………………20

图B.4耦合结构示意图…………………21

图B.5金腔结构示意图…………………22

图B.6校准探头与测试探头装配良好时的牛顿环示意图……………24

图C.1测试探头加载校准探头示意图…………………26

图C.2测试探头加载金属板示意图……………………27

图C.3测试探头加载超导样品示意图…………………27

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

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表3矢量网络分析仪的参数………………7

表4蓝宝石介质柱参数……………………8

表B.1耦合孔尺寸………………………21

表B.2蓝宝石介质柱的尺寸和加工要求………………21

表B.3屏蔽腔各部分尺寸………………22

Ⅱ

/—

GBT225862018

前言

本标准按照/—给出的规则起草。

GBT1.12009

本标准代替/—《》。/—,

GBT225862008高温超导薄膜微波表面电阻测试与GBT225862008相比

主要技术变化如下:

———增加了附录(),“”“”

B规范性附录给出了改进型镜像介质谐振器法应用校准技术测量单片高

()。

温超导薄膜微波表面电阻R的方案本方案采用的是TE模式改进型镜像蓝宝石介质

S011+δ

,,。

谐振器法通过校准单片超导薄膜的值可以通过一次测量得到本方案在满足测量变异

RS

,,;

系数低于20%的前提下能大幅度提高测试效率适合大批量工业化的测试

———(),,“

增加了附录资料性附录给出了与附录相关的一些附加资料如改进型镜像介质谐振

CB

”。

器法的理论推导等

:《:

本标准使用重新起草法修改采用超导电性第部分电子学特性测量超导

IEC61788-720067

》,:,要技术性差异如下:

体在微波频率下的表面电阻与IEC61788-72006相比主

。。

———增加了规范性附录及资料性附录附录是另一种供选择的方案

BCB

本标准还做了下列编辑性修改:

———“:”,。

本标准的名称中去掉了超导电性第部分字样以便与现有的标准系列一致

7

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Ⅲ

/—

GBT225862018

引言

,

自从一些钙钛矿结构铜氧化合物发现以来国际上对氧化物高温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通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RS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HTS薄膜的最新进展即它的RS值比一般金属低几个数量级增加了对该特性进行可

[,]

34

靠测量技术的需求。传统测量铌和其他低温超导材料:

RS的方法是用被测材料制作一个三维谐振

,,。

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大的腔体内

QRS

。,,

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

。:;

出高质量的薄膜对高温超导薄膜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

RS

;;;();(

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4.2K~150K

[,,]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

567

,,,

在数种确定微波表面电阻的方法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RS的极好工

[,]

89

。,

具由于改进型镜像介质谐振器法具有直接测试单片超导薄膜微波表面电阻的能力且其测量变

,,

异系数与双介质谐振器法相当这种方法也是我们推荐的因此本标准将其作为一种替代方法在附录B

中给出。

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

/—

GBT225862018

电子学特性测量

超导体在微波频率下的表面电阻

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

。,,。

下随温度的变化改进型镜像介质谐振器法作为另外一种可选用的方法在附录中给出

RSB

本标准适用于表面电阻的测试范围如下:

———频率:<30GHz;

8GHz<f

———测试分辨率:()。

0.01mΩf=10GHz

2

,。

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

S

2规范性引用文件

。,

下列文件对于本文件的应用是必不可少的凡是注日期的引用文件仅注日期的版本适用于本文

。,()。

件凡是不注日期的引用文件其最新版本包括所有的修改单适用于本文件

国际电工术语超导电性[()—

IEC60050-815InternationalelectrotechnicalvocabularIEVPart

y

:]

815Suerconductivit

py

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3术语和定义

IEC60050-815界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1

表面阻抗surfaceimedance

p

Z

s

():

导体包括超导体表面电场切向分量与磁场切向分量之比

EtHt

/

ZEHRX

==+j

SttSS

式中:

RS———表面电阻;

XS———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。,

RS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。

Q

,,(

当测试温度在30K~80K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

1

/—

GBT225862018

,,。

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

。。

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。,

RS因为矢量网络分析仪动态范围宽比标量网络分

析仪具有更好的测试精确度。

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图使用制冷机测试随温度变化特性的装置图

1RS

5.2RS测试腔体

(),。

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超导薄膜的R

2S

。,

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(和,是沿蓝宝石介质柱中心轴的旋转

Φ=0πΦ

)。。,

角地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IA在调节中要抑制介质谐振模式和杂模的耦合因为杂模

。,

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

TEQQ

。,,。

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附录中

2AA.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

2

/—

GBT225862018

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图典型的测试腔体示意图

2RS

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

ε'tanδ

(),:。

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

3

/—

GBT225862018

,。

最好使用低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

tanδRS77Ktanδ

-6

。,

小于10的蓝宝石介质柱为了减小超导薄膜RS的测试误差蓝宝石介质柱的两个端面应抛光并相

。。

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Q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值越低这将使测试更加容易误差更低

Q

表、、时标准蓝宝石介质柱的典型尺寸

112GHz18GHz22GHz

频率/GHz介质柱直径d/mm高度h/mm

短柱(模式)

TE11.45.7

011

12

长柱(模式)

TE11.417.1

013

短柱(模式)

TE7.63.8

011

18

长柱(模式)

TE7.611.4

013

短柱(模式)

TE6.23.1

011

22

长柱(模式)

TE6.29.3

013

6测试步骤

6.1样品准备

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,。,

根据误差分析薄膜的直径应该大于蓝宝石介质柱直径的倍当满足这个条件时在测试的目标

3

,。

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低薄膜