【《高温超导滤波器的物理结构与微带线基础概述》2800字】

高温超导滤波器的物理结构与微带线基础概述目录TOC\o"1-3"\h\u11757高温超导滤波器的物理结构与微带线基础概述 1257381.1高温超导滤波器的物理结构 1201611.2微带线基础 51.1高温超导滤波器的物理结构高温超导滤波装置基本构成组建包含装配有滤波装置电路的金属封装盒、介质基片、SMA接头（）等。基片的顶部和底部表面都附加了高温超导层，通过各种加工手段布置微带电路，然后借助银膜固定到盒中，实现接地。在微带电路的输入、输出处设置金电极。SMA接头经点焊线和滤波器电路连接。滤波装置电路最终被固定在金属屏蔽盒中。其结构如下1.1所示。图1.1高温超导滤波器的基本结构图1.1.1高温超导薄膜在生产高温超导薄膜过程中使用的材料基本有钇钡铜氧（）和铊钡钙铜氧（，包括、）。针对不同超导薄膜的基本性质，表1.1给出了比较[16]。表1.1各高温超导薄膜的特性比较25013086从表1.1对比来看，两种类型的临界温度都超过，可以平稳地运行在液氮环境中。温度达到时，下的薄膜电阻YBCO最高，最低。不过因为铊含有毒物质，而且铊钡铜氧的生产技术相对繁琐，所以现实中普遍应用的为YBCO超导薄膜。YBCO高温超导材料有层状钙钛矿型组织，存在铜氧面的特点带来了YBCO在物理性质和组织方面的平面特性。YBCO高温超导材料对称性仅有四方相或正交超导相。YBCO高温超导材料存在氧缺位，这样将按照制备途径的差异和各种氧压下的热处理方式可以让其氧含量出现不同。氧含量的变化对YBCO的物理属性产生直接的关联。的氧含量参数x处于范围中连续变化：（1）x在区间之内，YBCO呈现出正交超导相；（2）x在区间之内，YBCO呈现为四方相，这一情况是非超导的[17]。处于正交相的晶体的结构是一种叫做鹰钙钛矿的结构，晶格常数是：。其晶格常数的特征有时会对YBCO高温超导薄膜的结晶的取向产生一些影响[18]。YBCO的基本晶体结构如下图1.2。超导体有着近似完美的电学性质，超导体在直流状态下可以看作没有电阻，而交流状态下，还是存在一定的电阻，这意味着微波表面电阻存在，而具体大小受到频率影响。根据荷兰研究人员实验给出的模型，电流在这一超导体内有ns和ns两种形式，总密度。当温度低于Tc，T的改变将引起和也发生改变：(1.1)由式子（1.1）能够发现，在当T为0时，全部载流子皆是超导状态，而当温度趋向Tc时，超导载流子平衡态中，超导体比值近乎为零。表面阻抗Zs概念是金属或超导材料对于约束在其表面的高频电磁波所呈现的阻抗。其具体表达式为[19]:Zs=Rs+jXs=ω2μRs=1Xs=ωμ0λRs是超导中正常态电子产生的损耗。表面电抗Xs，是超导电子产生的电感，这部分一般不做特别计算，仅代表了载流子的动能。事实上，Rs是最为重要的，根据上式能发现，Rs随频率提高快速增加(Rs∝ω2)。但是，HTS在低于100GHz的频段，产生的损耗会大幅度小于普通情况的损耗，如下图所示。将其作为原料生产的元件的属性将会有明显的（77K）电子损耗（Rs）出现有包含两个主要原因:其一由在于电子运动产生的消耗，这部分电子是在导体中没有进行匹配的电子。所有类型、水平的超导体，全部产生这部分损耗，也叫做本征损耗。但是还有其他情况产生的损耗，现在尚无法合理的解释，其本质为剩余损耗，普遍认为是本征产生的作用，或是因为其成分纯度不够高引起的。1.1.2介质基片生产超导薄膜的基片一般包括：氧化镁（）、蓝宝石（）和铝酸镧（）。具体信息如下表1.2[20]。介质基片相对介质常熟缺点（）9.7材质机械强度差，易碎，易潮解（）各向异性，生长超导薄膜难度大（）24.0存在晶畴，基片各向异性表1.2中，tanθ是介质的损耗角正切，它代表了其个体的电磁波消耗。tanθ数值低，那么产生的损耗更低。对比导体消耗来说，其消耗对滤波装置插损的干扰微乎其微，能够不进行计算。介质的相对介电值是设计滤波装置过程中非常重要的一项数据，其具体大小会直接影响整体设计的规格。当频率一致的前提下，相对介电值更大，则谐振装置的规格更小；相反，其规格就更大。通过上表中我们能够发现，不够均匀的问题同时出现在后两种材料中，这一特性对于滤波装置，特别是窄带滤波装置的结构是有影响的。由于各种谐振装置所在位置的介电值具有不同，谐振频率会因位置发生变化，使得滤波装置的检测和模拟结果存在差异，这是进行滤波装置布置过程中需要当心防止的。所以在实际生产中一般会选择氧化镁。1.2微带线基础1.2.1微带线概述薄膜微波装置运行的基本在于微带线，如图1.4是微带线示意图。微带线组成是两条平行的导线，把导体板插在这两条互相平行的导线的中间，接着移除其中一根，根据电动力学的唯一性能够发现，装置内的电场丝毫不会发生任何变化。如此，传输线就在导体和导体板之间形成了。微带线的结构即为把介质板的一侧接地，另一侧铺上带状扁条形的导线。（a）(b)图1.4微带线结构截面图其微带线有三个主要特征：微带线是完全的平面组织，非常紧凑；（2）高介电值的基片能够帮助它的规格更加小；（3）因为微带线四周独特的空间布局，导致能够方便连接其他元件。得益于这部分优点，微带线处于集成化和小型化成为无线电发展时代方向的环境下，逐渐被更多的人关注。但是微带线还是存在着比较突出的不足之处。由于其场组织是半开放型再加上场组织存在不对称的特征，微带线在工作过程中，会引发非常高的辐射消耗，而且在TEM之外，别的部分也会被干扰，导致运行不稳定。由于超导体的表面电阻非常小，通过超导薄膜微带线就能够应对微带线的约束，规格就无法给实际消耗产生干扰，所以在维持微带线特征的前提下还应当确保具备出色属性的滤波装置就能制得。而在别的角度上，加入用LaAlO3当作超导膜的基片，因为它具备更高的介电值，会让微带线的规格变得更小，这一特点十分有利于缩小电路。微带线是一种部分介质填充的双导体系统，所以无法传导TEM波。不过当有介质基片（介电常数远大于空气）时，场的能量基本都会聚积在介质内，而处于空气中的不多，纵向分量要比横向分量小一些，所以能够判断微带线是运行在准TEM波状态，能大致通过准静态的手段来研究，它的电磁场分布能够大致通过图1.5表示。

（b）图1.51.2.2微带线特性阻抗与相速微波传导线包含两个基本参数，一项为特性阻抗，一项为相速，特性阻抗直接关系到阻抗匹配，相速直接关系到传输线长度。

TEM波特性阻抗：Zo=L1C1=1Vp是微带中的相速，C1是微带单位长度的电容。假如在微带四周替换为均匀介质，那么微带单位长度的电容是：C1=εeCC01是空气微带单位长度的电容，微带中的相速是:Vp=C/εe微带的特性阻抗是：Zo=Z01/εe要计算Zo，需要计算空气微带线的特性阻抗𝑍01和有效介电常数εe:1.对于Zo1计算：Zo1≈120πWhZo1≈60ln(8h/W+W/4h)W/h<1(1.8)1.对于εe计算：有效介电常数和实际介电常数的关系如式(1.9):εe=1+εr−1q(q=1/2{1+hw−1.2.3微带线耗损在微带电路的研究和布置应用中，损耗是需要注意到的问题，其为干扰微波器件Q值的关键原因。导体、介质和辐射三部分损耗共同构成了微带线的损耗，损耗的参数为衰减系数。εr和W/h较大，辐射消耗就会较小，基本能够看作零，损耗a=ac+ad。

ad=27.3/λ𝑡𝑔为损耗正