工作在 90 K以上的超导滤波器研制

2009 年 第 54 卷 第 16 期: 2421 ~ 2424 www.scichina.com csb.scichina.com 《中国科学》杂志社 SCIENCE IN CHINA PRESS 论 文 工作在 90 K以上的超导滤波器研制 夏侯海, 周春霞, 左涛, 何明, 季鲁, 周铁戈, 赵新杰, 方兰, 阎少林* 南开大学电子系, 天津 300071 * 联系人, E-mail: zlyan@nankai.edu.cn 2009-01-05收稿, 2009-03-13接受 国家重点基础研究发展计划(编号: 2006CB601006)、国家高技术研究发展计划(编号: 2006AA03Z213)和教育部博士点基金 (编号: 2008 00551009)资助项目 摘要 报道了一个最高工作温度可达 93 K 的高温超导带通滤波器研制及其特性. 滤 波器工作在 S 波段, 相对带宽为 4%, 使用 Tl2Ba2CaCu2O8超导薄膜制作而成. 实验结 果表明: 在 93 K温度以下, 通带内插入损耗小于 0.22 dB, 回波损耗好于 20 dB, 带外 抑制大于 80 dB. 对滤波器在不同温度下工作特性进行了测试和 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 , 显示该滤波器 在 90 K左右性能稳定, 工作正常. 在已经报道的高温超导滤波器中, 这一工作温度是 最高的. 该研究结果对超导滤波器应用于高灵敏度微波通信领域很有意义. 关键词 Tl2Ba2CaCu2O8薄膜 高温超导滤波器 温度性能 制作高性能的超导滤波器是高温超导薄膜的一 项重要应用 . 目前制作高温超导滤波器主要使用 YBa2Cu3O7-δ (YBCO)和Tl2Ba2CaCu2O8 (Tl-2212)薄膜 , 其中YBCO薄膜的临界温度为 90 K左右, Tl-2212薄 膜的临界温度为 105 K左右[1~5]. 现有文献中记载和 论述的超导滤波器大多数工作在 77 K左右, 在这个 温度下滤波器工作性能优良[6~8]. 然而对一些特殊应 用而言, 要求超导滤波器在更高温度(比如 90 K左右) 下工作, 这样不仅能够降低对制冷设备性能的要求, 节约成本 , 同时又能扩大滤波器的工作温度范围 , 提高滤波器的稳定性. 为了实现工作在更高温度下的超导滤波器 , 我 们设计了一个工作在 S 波段的滤波器. 该滤波器采 用 Tl-2212 薄膜, 制作在 LaAlO3(001)基片上. 在 93 K 温度下对滤波器进行测试, 结果显示滤波器通带 内的插入损耗小于 0.22 dB, 回波损耗好于 20 dB, 带 外抑制大于 80 dB, 与 77 K 温度下各项测试指标非 常接近; 对该滤波器在不同温度下性能分析表明其 工作在 90 K左右时性能稳定. 1 滤波器设计 我们设计的超导滤波器工作在S波段, 中心频率 为 2.6 GHz, 相对带宽为 4%, 采用 10阶切比雪夫滤 波器结构. 图 1为滤波器的理论频率响应, 图中已对 频率归一化处理 . 该类滤波器一般设计方法是 : 首 先根据指标要求 , 计算出所需要的滤波器阶数 ; 然 后通过查表或计算得到低通原型滤波器的g值, 计算 出需要的耦合系数和外部耦合因子; 最后按照这些 数据通过电磁仿真确定相邻谐振器的距离 , 优化滤 波器整体结构[9]. 这种方法虽然简单, 但是整体优化 滤波器时很费时间 . 这里我们对用单端口群时延法 调试微波滤波器的方法进行改良 , 用于指导微带滤 波器的仿真设计 , 可以节省优化时间 , 具体设计过 程可以参阅有关文献[10], 不再详述. 本设计采用 Sonnet’s em软件完成仿真过程. 仿 真时采用 0.5 mm厚的 LaAlO3基片, 介电常数取 23.6, 引用格式: 夏侯海, 周春霞, 左涛, 等. 0B工作在 90 K以上的超导滤波器研制. 科学通报, 2009, 54: 2421~2424 Xia H H, Zhou C X, Zuo T, et al. Development of high temperature superconducting filters operating at temperatures above 90 K. Chinese Sci Bull, 2009, 54, doi: 10.1007/s11434-009-0225-0 2009 年 8 月 第 54 卷 第 16 期 20 0 40 60 80 0.94 0.96 0.98 1.00 1.02 1.04 1.06 归一化频率 DB[S11] DB[S21] 幅 度 响 应 / dB 图 1 滤波器理论特性曲线 版图如图 2所示 . 从图中可以看到 , 我们采用了螺 旋状弯曲线半波长微带谐振器 , 与常用的 U 型结 构相比 , 这种结构可以提高微带谐振器 Q 值 , 减 小滤波器的尺寸 , 超导滤波器芯片的最终尺寸为 34 mm×10 mm. 从图 2 中可以看到, 每两个相邻谐振器关于它 们的中间线反对称, 这样最终得到的 10 阶滤波器也 是关于中间线反对称 . 经研究发现 , 由于相邻谐振 器的这种位置关系 , 使得非相邻谐振器之间的交叉 耦合降到最低 , 减少不必要的交叉耦合 ; 同时这种 结构也让仿真设计变得简单, 只需要优化前6个谐振 器组成的单端口网络 , 然后根据滤波器反对称结构 特点, 得到完整的 10阶滤波器, 再经过优化, 就可获 得很好的频率响应, 从而大大减少仿真时间. 图 2 10阶超导滤波器版图 图3为滤波器的仿真曲线, 图中频率已经归一化. 由于采取了合理的谐振器结构和滤波器结构 , 使得 非相邻谐振器之间交叉耦合可以忽略不计 , 因此仿 真得到的滤波器中心频率、带宽和回波损耗等特性 和理论特性非常吻合. 20 0 40 60 80 0.94 0.96 0.98 1.00 1.02 1.04 1.06 归一化频率 DB[S11] DB[S21] 幅 度 响 应 / dB 图 3 滤波器仿真特性曲线 2 制作与测试 超导薄膜质量好坏直接影响到滤波器性能优劣. 我们在两英寸LaAlO3衬底上制备双面Tl-2212薄膜[5]: 首先用磁控离子溅射的方法在衬底上淀积出 Tl-Ba-Ca-Cu-O非晶先驱薄膜, 淀积好一面先驱薄膜 后, 将基片翻转, 淀积另一面; 然后进行高温热处理 使非晶先驱薄膜转变超导转变成Tl-2212 超导薄膜. 测试表明 , 制作的两英寸超导薄膜厚度不均匀度小 于 5%, 正反两面的转变温度在 105 K左右, 在 77 K 温度下, 薄膜临界电流密度大于 2×106 A/cm2, 表面 电阻约为 400 µΩ(10 GHz, 77 K). 为了使基片正面上微带线很好地与转换接头相 连 , 反面上的超导膜与屏蔽盒焊接在一起 , 分别在 正反面超导膜上蒸镀了一层金膜 . 我们利用正胶光 刻和氩离子干法刻蚀在基片正面上制作出滤波器的 图形 , 制作好的滤波器芯片装配在一个铜制的屏蔽 盒内, 采用 SMA 接头连接滤波器的输入输出端, 如 图 4所示. 我们使用 Agilent矢量网络分析仪 HP8753ES测 量滤波器的工作特性 , 滤波器放置在真空环境中 , 由制冷机制冷, 温度可以调节. 图 5 为在 93 K 温度 下滤波器未经过调谐的测试特性(网络分析仪的输入 功率为 0 dB·m), 通带内的插入损耗为 0.22 dB, 回 波损耗达到 22 dB左右; 与理论设计值相比, 中心频 率向下偏移了约 5 MHz, 带宽减小了 4 MHz. 2422 论 文 图 4 超导滤波实物图 DB[S11] DB[S21] 20 40 60 80 100 0 0.92 0.96 1.00 1.04 1.08 归一化频率 回 波 /传 输 损 耗 / dB 图 5 93 K下滤波器测试特性曲线 滤波器的实测中心频率和带宽与设计值相比存 在差异主要原因是, 实际使用的LaAlO3 基片厚度和 介电常数与仿真设计时所取值存在误差 . 根据敏感 度分析 [9], 基片厚度变化主要影响谐振器之间的耦 合 , 从而改变滤波器的带宽 , 同时也会导致中心频 率的偏移; 介电常数偏差主要影响谐振器的谐振频 率, 因而也会使得滤波器中心频率偏移. SMA接头和 滤波器输入输出端需要经过焊接才能连接 , 这会造 成它们不完全匹配, 所以实测回波损耗低于设计值. 由于回波损耗已经达到了一般工程应用指标要求 , 故没有安装螺钉做进一步的调谐. 3 温度特性分析 考虑到制冷机制冷温度具有波动性 , 因此为了 确保滤波器在 90 K左右时能稳定工作, 有必要对滤 波器在不同温度下工作特性进行详细分析. 图 6 为 滤波器在不同温度下的传输损耗曲线(为了清晰, 只 画出 5条). 可以看到, 随着温度增加, 滤波器插入损 耗在逐渐增大, 中心频率则逐渐减小, 在 95 K 温度 以下, 带宽几乎不变. 5 0 10 15 20 25 30 0.94 0.96 0.98 1.00 1.02 1.04 1.06 归一化频率 传 输 损 耗 / dB 77 K 93 K 95 K 100 K 101 K 图 6 不同温度下滤波器测试曲线 图 7 给出了更为详细的插入损耗随温度变化趋 势, 在 77, 93, 95 K温度下, 通带内插入损耗分别为 0.1, 0.22, 0.58 dB, 温度进一步提高, 插入损耗急剧 增大. 图 7 内还给出了 Tl-2212 超导薄膜表面电阻 Rs(10 GHz)随温度变化的关系 , 可见滤波器的插入 损耗随温度变化与薄膜表面电阻随温度变化关系基 本一致 , 说明滤波器的插入损耗主要由超导薄膜的 表面电阻引起的. 在(90±3) K 时, 表面电阻变化小 于 40 µΩ, 插入损耗变化小于 0.04 dB, 可以忽略. 16 60 温度 / K 插 入 损 耗 / dB 14 10 8 6 4 2 0 2 65 70 75 80 85 90 95 100 105 12 R s (m O hm ) 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 75 80 85 90 95 100 105 温度 / K 图 7 插入损耗随温度变化曲线 2423 2009 年 8 月 第 54 卷 第 16 期 图 8为滤波器中心频率随温度变化曲线, 纵坐标 为实测中心频率的相对值(参照设计值). 从图中可以 看到 , 随着温度的增加 , 超导滤波器的中心频率将 向低频方向偏移. 我们认为, 在 95 K以下, 中心频率 的偏移主要是由于LaAlO3 基片介电常数随温度变化 的造成的 , 该介电常数随温度升高将有所增加 [11], 导致微带谐振器的谐振频率减小 , 从而滤波器的中 心频率将向低频偏移. 从 95 K到薄膜临界温度中心 频率急剧变化 , 主要是由于超导薄膜动态电感效应 引起的. 从图 8中可以看到在(90±3) K时滤波器的中 心频率偏移在±0.05%之间, 这可以通过适当增加带 宽加以调整. 通过以上分析可知, 该超导滤波器工作在 90 K 时, 温度变化在±3 K之内时, 对其中心频率、带宽和 插入损耗的影响可以忽略 , 从而说明该滤波器可以 稳定工作在 90 K附近. 4 结论 60 温度 / K 归 一 化 中 心 频 率 (77 K,1.00008) 1.002 1.000 0.998 0.996 0.994 0.992 0.990 0.988 0.986 0.984 65 70 75 80 85 90 95 100 105 (93 K,0.9982) 我们详细描述了一个超导滤波器的完整设计、制 作和测试过程 . 为了实现工作在更高温度下的超导 滤波器, 我们在 5.08 cm, 0.5 mm厚的 LaAlO3衬底上, 用 Tl-2212 超导薄膜制作了一个 10 阶切比雪夫滤波 器. 由 93 K 下的测试结果和对不同温度下滤波器的 特性分析表明, 该滤波器工作在 90 K 左右时性能稳 定可靠. 与其他工作在 77 K 下超导滤波器相比, 我 们把滤波器的最高工作温度提高到 93 K, 这不仅降 低了对制冷设备的要求, 节约了成本, 同时又增大了 超导滤波器工作温度范围 , 提高了滤波器性能的稳 定性, 对超导滤波器应用于微波通信领域很有意义. 图 8 中心频率随温度变化曲线 参考文献 1 Aidam R, Geerk J, Linker G, et al. 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