GB/T 22586-2018
基本信息
标准号： GB/T 22586-2018
中文名称：电子学特性测量 超导体在微波频率下的表面电阻
标准类别：国家标准(GB)
标准状态：现行
出版语种：简体中文
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标准分类号
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出版信息
相关单位信息
标准简介
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
GB/T22586-2018
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标准内容
ICS77.040.99
中华人民共和国国家标准
GB/T22586—2018
代替GB/T22586—2008
电子学特性测量
超导体在微波频率下的表面电阻Electronic characteristic measurementsSurface resistance ofsuperconductors at microwave frequencies(IEC 61788-7:2006,Superconductivity—Part 7:Electronic characteristicmeasurements-Surface resistance of superconductors at microwavefreguencies，MOD)
2018-03-15发布
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会
2018-10-01实施
规范性引用文件
术语和定义
测试系统
R测试腔体
介质柱
测试步骤
6.1样品准备
6.2系统构建
6.3参考电平的测试
谐振器频响特性的测试
超导薄膜的表面电阻Rs、标准蓝宝石柱的e和tand的确定6.5
测试方法的精密度和精确度
表面电阻
样品和支撑结构
样品的保护
8测试报告
被测样品的标识
8.2Rs值报告
8.3测试条件报告
附录A（资料性附录）
与第1章～第8章相关的附加资料附录B（规范性附录）改进型镜像介质谐振器法附录C（资料性附录）
参考文献
与附录B相关的附加资料
图1使用制冷机测试Rs随温度变化特性的装置图图2典型的R。测试腔体示意图
图3T（K)温度下的插人损耗IA，谐振频率f。和半功率点带宽△F图4反射系数（Sn和S22）
图5表4中术语的定义
GB/T22586—2018
GB/T225862018
各种测量微波表面电阻R。方法结构示意图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TE1.模式的一V和W一关系的计算结果测量Rs、tano的标准介质柱的电磁场结构三种形式的谐振器的结构示意图设计平行超导薄膜两端短路的TE谐振器的模式图[20设计平行超导薄膜两端短路的TEoa谐振器的模式图[20闭合式TE1谐振器的模式图.
闭合式TE1谐振器的模式图.
测试系统示意图
典型的改进型镜像介质谐振器法谐振装置安装示意图测试探头加载被测样品示意图
耦合结构示意图
金腔结构示意图
校准探头与测试探头装配良好时的牛顿环示意图测试探头加载校准探头示意图bZxz.net
测试探头加载金属板示意图
测试探头加载超导样品示意图
表112GHz、18GHz、22GHz时标准蓝宝石介质柱的典型尺寸12GHz、18GHz、22GHz时超导薄膜的尺寸表2
表3失量网络分析仪的参数
表4蓝宝石介质柱参数
耦合孔尺寸
蓝宝石介质柱的尺寸和加工要求屏蔽腔各部分尺寸
HiiKAoNiKAca
本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草GB/T22586—2018
本标准代替GB/T22586—2008《高温超导薄膜微波表面电阻测试》。与GB/T22586—2008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TE11+模式改进型镜像蓝宝石介质谐振器法，通过校准，单片超导薄膜的R。值可以通过一次测量得到。本方案在满足测量变异系数低于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C(资料性附录），给出了与附录B相关的一些附加资料，如“改进型镜像介质谐振器法”的理论推导等。
本标准使用重新起草法修改采用IEC61788-7：2006《超导电性第7部分：电子学特性测量超导体在微波频率下的表面电阻》，与IEC61788-7：2006相比，主要技术性差异如下：增加了规范性附录B及资料性附录C。附录B是另一种供选择的方案。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7部分：”字样，以便与现有的标准系列一致。本标准由中国科学院提出。
本标准由全国超导标准化技术委员会（SAC/TC265）归口。本标准起草单位：电子科技大学、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：曾成、罗正祥、补世荣、魏斌、吉争鸣、孙亮本标准所代替标准的历次版本发布情况为：-GB/T22586—2008。
HiiKAoNiKAca
GB/T22586—2018
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，并且已经进人现场试验阶段1,]。
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R。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R。值比一般金属低几个数量级，增加了对该特性进行可靠测量技术的需求.4。传统测量钜和其他低温超导材料R的方法是：用被测材料制作一个三维谐振腔，测试其Q值，通过计算电磁场在腔内的分布可以求得R：值。另外一种技术是在一个较天的腔体内放人一个小样品。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，通常都包含了所引人的不确定度
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R。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）；中等功率输人时可激励高的内部功率；温度变化范围宽（4.2K～150K）。在数种确定微波表面电阻的方法5.，7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R。的极好工具L8.9]。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
HiiKAoNiKAca
1范围
电子学特性测量
超导体在微波频率下的表面电阻GB/T22586—2018
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R。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B中给出。本标准适用于表面电阻的测试范围如下：频率：8GHz测试分辨率：0.01mQ(=10GHz）。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。of\的关系折合到10GHz的值。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。IEC60050-815国际电工术语超导电性［Internationalelectrotechnicalvocabulary（IEV）Part815.Superconductivity
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
surfaceimpedance
导体（包括超导体）表面电场切向分量E，与磁场切向分量H，之比：Zs=E./H,=Rs+jXs
式中：
表面电阻：
表面电抗。
4要求
给加载超导薄膜样品的介质谐振器输人微波信号，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Q值
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
HTiKAoNi KAca
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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1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人射功率，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。因为失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。
失量网络分析仪
5.2Rs测试腔体
颖综扫描源
温度计
S参数
测试装置
温度传感器
测试腔体
制冷设备
图1使用制冷机测试R，随温度变化特性的装置图图2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Rs。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（@=0和元，Φ是沿蓝宝石介质柱中心轴的旋转角）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TMmo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人损耗（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TE模谐振器的高Q值。为了抑制寄生耦合，应更多关注高Q值介质谐振器的设计。除图2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A中A.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
-iiKAoNiKAca
5.3介质柱
半刚性
同轴电缆
六角螺母
图2典型的R。测试腔体示意图
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磷青铜平板弹簧
铜支撑件
超导薄膜
一接头
一超导薄膜
蓝宝石柱
一铜块
固定到冷头的螺钉
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tana。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3倍。3
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最好使用低tana值的标准介质柱，以达到所需要的R。测试精确度。建议使用在77K时tan值小于10-的蓝宝石介质柱。为了减小超导薄膜R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7章中描述了蓝宝石介质柱的规格，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TE1和TE3模与其他TM,HE和EH模的耦合。A.5描述了标准蓝宝石介质柱的设计指南。表1是谐振频率分别为12GHz、18GHz、22GHz时标准蓝宝石介质柱的典型尺寸。频率越高，无载品质因数Q值越低，这将使测试更加容易，误差更低。表112GHz、18GHz、22GHz时标准蓝宝石介质柱的典型尺寸频率/GHz
6测试步骤
样品准备
介质柱
短柱(TE模式）
长柱（TE模式）
短柱（TE叫模式）
长柱（TE3模式）
短柱（TEm模式）
长柱（TE13模式）
直径d/mm
高度h/mm
根据误差分析，薄膜的直径应该大于蓝宝石介质柱直径的3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TE11和TE1:模式辐射损耗不同所造成的精密度的降低。薄膜的厚度应该大于各个温度下伦敦穿透深度的3倍。如果薄膜的厚度远小于伦敦穿透深度的3倍，测试得到的R。应理解为等效的表面电阻，表2给出了本标准建议的频率分别为12GHz、18GHz、22GHz的标准蓝宝石介质柱所对应的超导薄膜的尺寸。
表212GHz、18GHz、22GHz时超导薄膜的尺寸标准介质柱
频率/GHz
直径a/mm
直径d/mm
超导薄膜
厚度/μm
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1所示的结构建立测试装置。因为高湿度会降低无载品质因数Q的值.所有测试腔体，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4
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备内，且样品腔应抽真空。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氨气，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。温度为K)时的参考电平
额率/GHz
图3T（K)温度下的插入损耗IA，谐振频率f。和半功率点带宽Af6.4谐振器频响特性的测试
通过测试TEn和TEo13谐振器的谐振频率f。和无载品质因数Q，可得到R。随温度的变化，测试过程如下：
a）在输入端和输出端之间连接好测试腔体（图1）。将标准短蓝宝石介质柱放置在下端的超导薄膜中心，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f。的设计频率值附近，找到介质谐振器的TE1模谐振峰。c)
减小屏幕上的扫频宽度，直到仅显示TE模谐振峰（图3）。确认这种模式的插人损耗IA大于参考电平20dB以上，IA与温度有很大关系。测量f。及半功率点带宽△f随温度的变化。TEm谐振模式的有载品质因数QL见式（1）：d)
通过下面介绍的两种方法之一，可以从有载品质因数Q1.得出无载品质因数Q：（1)
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第一种方法是通过测量插人损耗IA的值，Q可由式（2)得到：QL
，A,=10-IA[4B/20
·（2）
这种方法假设介质谐振器输人端和输出端的耦合度是相同的。制作耦合环非常困难，并且环的方向也难以控制，在测试过程中蓝宝石介质柱的任何移动也是未知的。这些依赖于装配的因素同时也与温度有关。如果耦合较强（IA<～10dB)，这种情况下可能存在的不对称耦合，在计算耦合系数时会导致较大的误差。如果耦合足够弱（IA>20dB），耦合度的不对称性就不那么重要了。
第二种方法是在谐振频率下，通过测试谐振器两端的反射系数，推导得出无载品质因数Q，见式(3）：
Qu=Q(1+β+β2)
β=(-SD/(|S+S2)
β2=(1-S22|)/(|S|+|S22/)
（3）
...（5)
式（4)、式（5)中，S1和S22是图4中的反射系数，以线性功率单位表示，而不是相对的dB数，β和β是耦合系数
使用反射系数的方法有两个优点：一是不需要校准参考电平这个步骤；二是提供了谐振器两端的耦合值测试的方法。但也有两个缺点：一是这种方法只能用在窄频带谐振器：二是反射系数的测试也受到网络分析仪动态范围的限制。Sn或Sg2
图4反射系数（S和S22）
将以上两种方法合并使用，可以起到双重检测的效果，因此这是我们所推荐的测试方法。由短介质柱测得的f。和Q。记为fo和Qu。通过缓慢的改变制冷设备的制冷温度，可测得fo
f和Q.随温度的变化关系。
测试完f和Q随温度的变化关系后，将测试腔体加热至室温。然后，在室温下将测试腔体中的TE1谐振器换为TE1a谐振器，再将腔体冷却至临界温度以h）
下。按照TE1i谐振模式时相同的测试步骤，测试TE：谐振模式下f。和Q.随温度的变化关系，记为fo和Qu。当TEo1a谐振器中蓝宝石介质柱的高度恰好是TEol谐振器中介质柱高度的3倍时，TEo1模式的f与TEn模式的f一致。如果仔细设计，fo与f的差别一般很小（<～0.25%），在6.5的计算中可认为f。=fol=fos。6.5超导薄膜的表面电阻Rs、标准蓝宝石柱的&和tans的确定由fo1Qulfcs和Qus随温度的变化关系，利用式（6）、式（7）、式（8)计算超导薄膜表面电阻Rs随温度的变化、标准蓝宝石柱的e和tano。6
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中华人民共和国国家标准
GB/T22586—2018
代替GB/T22586—2008
电子学特性测量
超导体在微波频率下的表面电阻Electronic characteristic measurementsSurface resistance ofsuperconductors at microwave frequencies(IEC 61788-7:2006,Superconductivity—Part 7:Electronic characteristicmeasurements-Surface resistance of superconductors at microwavefreguencies，MOD)
2018-03-15发布
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会
2018-10-01实施
规范性引用文件
术语和定义
测试系统
R测试腔体
介质柱
测试步骤
6.1样品准备
6.2系统构建
6.3参考电平的测试
谐振器频响特性的测试
超导薄膜的表面电阻Rs、标准蓝宝石柱的e和tand的确定6.5
测试方法的精密度和精确度
表面电阻
样品和支撑结构
样品的保护
8测试报告
被测样品的标识
8.2Rs值报告
8.3测试条件报告
附录A（资料性附录）
与第1章～第8章相关的附加资料附录B（规范性附录）改进型镜像介质谐振器法附录C（资料性附录）
参考文献
与附录B相关的附加资料
图1使用制冷机测试Rs随温度变化特性的装置图图2典型的R。测试腔体示意图
图3T（K)温度下的插人损耗IA，谐振频率f。和半功率点带宽△F图4反射系数（Sn和S22）
图5表4中术语的定义
GB/T22586—2018
GB/T225862018
各种测量微波表面电阻R。方法结构示意图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TE1.模式的一V和W一关系的计算结果测量Rs、tano的标准介质柱的电磁场结构三种形式的谐振器的结构示意图设计平行超导薄膜两端短路的TE谐振器的模式图[20设计平行超导薄膜两端短路的TEoa谐振器的模式图[20闭合式TE1谐振器的模式图.
闭合式TE1谐振器的模式图.
测试系统示意图
典型的改进型镜像介质谐振器法谐振装置安装示意图测试探头加载被测样品示意图
耦合结构示意图
金腔结构示意图
校准探头与测试探头装配良好时的牛顿环示意图测试探头加载校准探头示意图bZxz.net
测试探头加载金属板示意图
测试探头加载超导样品示意图
表112GHz、18GHz、22GHz时标准蓝宝石介质柱的典型尺寸12GHz、18GHz、22GHz时超导薄膜的尺寸表2
表3失量网络分析仪的参数
表4蓝宝石介质柱参数
耦合孔尺寸
蓝宝石介质柱的尺寸和加工要求屏蔽腔各部分尺寸
HiiKAoNiKAca
本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草GB/T22586—2018
本标准代替GB/T22586—2008《高温超导薄膜微波表面电阻测试》。与GB/T22586—2008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TE11+模式改进型镜像蓝宝石介质谐振器法，通过校准，单片超导薄膜的R。值可以通过一次测量得到。本方案在满足测量变异系数低于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C(资料性附录），给出了与附录B相关的一些附加资料，如“改进型镜像介质谐振器法”的理论推导等。
本标准使用重新起草法修改采用IEC61788-7：2006《超导电性第7部分：电子学特性测量超导体在微波频率下的表面电阻》，与IEC61788-7：2006相比，主要技术性差异如下：增加了规范性附录B及资料性附录C。附录B是另一种供选择的方案。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7部分：”字样，以便与现有的标准系列一致。本标准由中国科学院提出。
本标准由全国超导标准化技术委员会（SAC/TC265）归口。本标准起草单位：电子科技大学、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：曾成、罗正祥、补世荣、魏斌、吉争鸣、孙亮本标准所代替标准的历次版本发布情况为：-GB/T22586—2008。
HiiKAoNiKAca
GB/T22586—2018
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，并且已经进人现场试验阶段1,]。
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R。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R。值比一般金属低几个数量级，增加了对该特性进行可靠测量技术的需求.4。传统测量钜和其他低温超导材料R的方法是：用被测材料制作一个三维谐振腔，测试其Q值，通过计算电磁场在腔内的分布可以求得R：值。另外一种技术是在一个较天的腔体内放人一个小样品。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，通常都包含了所引人的不确定度
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R。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）；中等功率输人时可激励高的内部功率；温度变化范围宽（4.2K～150K）。在数种确定微波表面电阻的方法5.，7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R。的极好工具L8.9]。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
HiiKAoNiKAca
1范围
电子学特性测量
超导体在微波频率下的表面电阻GB/T22586—2018
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R。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B中给出。本标准适用于表面电阻的测试范围如下：频率：8GHz
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。IEC60050-815国际电工术语超导电性［Internationalelectrotechnicalvocabulary（IEV）Part815.Superconductivity
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
surfaceimpedance
导体（包括超导体）表面电场切向分量E，与磁场切向分量H，之比：Zs=E./H,=Rs+jXs
式中：
表面电阻：
表面电抗。
4要求
给加载超导薄膜样品的介质谐振器输人微波信号，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Q值
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
HTiKAoNi KAca
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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1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人射功率，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。因为失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。
失量网络分析仪
5.2Rs测试腔体
颖综扫描源
温度计
S参数
测试装置
温度传感器
测试腔体
制冷设备
图1使用制冷机测试R，随温度变化特性的装置图图2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Rs。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（@=0和元，Φ是沿蓝宝石介质柱中心轴的旋转角）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TMmo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人损耗（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TE模谐振器的高Q值。为了抑制寄生耦合，应更多关注高Q值介质谐振器的设计。除图2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A中A.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
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5.3介质柱
半刚性
同轴电缆
六角螺母
图2典型的R。测试腔体示意图
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磷青铜平板弹簧
铜支撑件
超导薄膜
一接头
一超导薄膜
蓝宝石柱
一铜块
固定到冷头的螺钉
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tana。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3倍。3
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最好使用低tana值的标准介质柱，以达到所需要的R。测试精确度。建议使用在77K时tan值小于10-的蓝宝石介质柱。为了减小超导薄膜R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7章中描述了蓝宝石介质柱的规格，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TE1和TE3模与其他TM,HE和EH模的耦合。A.5描述了标准蓝宝石介质柱的设计指南。表1是谐振频率分别为12GHz、18GHz、22GHz时标准蓝宝石介质柱的典型尺寸。频率越高，无载品质因数Q值越低，这将使测试更加容易，误差更低。表112GHz、18GHz、22GHz时标准蓝宝石介质柱的典型尺寸频率/GHz
6测试步骤
样品准备
介质柱
短柱(TE模式）
长柱（TE模式）
短柱（TE叫模式）
长柱（TE3模式）
短柱（TEm模式）
长柱（TE13模式）
直径d/mm
高度h/mm
根据误差分析，薄膜的直径应该大于蓝宝石介质柱直径的3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TE11和TE1:模式辐射损耗不同所造成的精密度的降低。薄膜的厚度应该大于各个温度下伦敦穿透深度的3倍。如果薄膜的厚度远小于伦敦穿透深度的3倍，测试得到的R。应理解为等效的表面电阻，表2给出了本标准建议的频率分别为12GHz、18GHz、22GHz的标准蓝宝石介质柱所对应的超导薄膜的尺寸。
表212GHz、18GHz、22GHz时超导薄膜的尺寸标准介质柱
频率/GHz
直径a/mm
直径d/mm
超导薄膜
厚度/μm
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1所示的结构建立测试装置。因为高湿度会降低无载品质因数Q的值.所有测试腔体，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4
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备内，且样品腔应抽真空。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氨气，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。温度为K)时的参考电平
额率/GHz
图3T（K)温度下的插入损耗IA，谐振频率f。和半功率点带宽Af6.4谐振器频响特性的测试
通过测试TEn和TEo13谐振器的谐振频率f。和无载品质因数Q，可得到R。随温度的变化，测试过程如下：
a）在输入端和输出端之间连接好测试腔体（图1）。将标准短蓝宝石介质柱放置在下端的超导薄膜中心，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f。的设计频率值附近，找到介质谐振器的TE1模谐振峰。c)
减小屏幕上的扫频宽度，直到仅显示TE模谐振峰（图3）。确认这种模式的插人损耗IA大于参考电平20dB以上，IA与温度有很大关系。测量f。及半功率点带宽△f随温度的变化。TEm谐振模式的有载品质因数QL见式（1）：d)
通过下面介绍的两种方法之一，可以从有载品质因数Q1.得出无载品质因数Q：（1)
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第一种方法是通过测量插人损耗IA的值，Q可由式（2)得到：QL
，A,=10-IA[4B/20
·（2）
这种方法假设介质谐振器输人端和输出端的耦合度是相同的。制作耦合环非常困难，并且环的方向也难以控制，在测试过程中蓝宝石介质柱的任何移动也是未知的。这些依赖于装配的因素同时也与温度有关。如果耦合较强（IA<～10dB)，这种情况下可能存在的不对称耦合，在计算耦合系数时会导致较大的误差。如果耦合足够弱（IA>20dB），耦合度的不对称性就不那么重要了。
第二种方法是在谐振频率下，通过测试谐振器两端的反射系数，推导得出无载品质因数Q，见式(3）：
Qu=Q(1+β+β2)
β=(-SD/(|S+S2)
β2=(1-S22|)/(|S|+|S22/)
（3）
...（5)
式（4)、式（5)中，S1和S22是图4中的反射系数，以线性功率单位表示，而不是相对的dB数，β和β是耦合系数
使用反射系数的方法有两个优点：一是不需要校准参考电平这个步骤；二是提供了谐振器两端的耦合值测试的方法。但也有两个缺点：一是这种方法只能用在窄频带谐振器：二是反射系数的测试也受到网络分析仪动态范围的限制。Sn或Sg2
图4反射系数（S和S22）
将以上两种方法合并使用，可以起到双重检测的效果，因此这是我们所推荐的测试方法。由短介质柱测得的f。和Q。记为fo和Qu。通过缓慢的改变制冷设备的制冷温度，可测得fo
f和Q.随温度的变化关系。
测试完f和Q随温度的变化关系后，将测试腔体加热至室温。然后，在室温下将测试腔体中的TE1谐振器换为TE1a谐振器，再将腔体冷却至临界温度以h）
下。按照TE1i谐振模式时相同的测试步骤，测试TE：谐振模式下f。和Q.随温度的变化关系，记为fo和Qu。当TEo1a谐振器中蓝宝石介质柱的高度恰好是TEol谐振器中介质柱高度的3倍时，TEo1模式的f与TEn模式的f一致。如果仔细设计，fo与f的差别一般很小（<～0.25%），在6.5的计算中可认为f。=fol=fos。6.5超导薄膜的表面电阻Rs、标准蓝宝石柱的&和tans的确定由fo1Qulfcs和Qus随温度的变化关系，利用式（6）、式（7）、式（8)计算超导薄膜表面电阻Rs随温度的变化、标准蓝宝石柱的e和tano。6
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