高溫超導(dǎo)濾波器的物理結(jié)構(gòu)與微帶線(xiàn)基礎(chǔ)概述目錄TOC\o"1-3"\h\u11757高溫超導(dǎo)濾波器的物理結(jié)構(gòu)與微帶線(xiàn)基礎(chǔ)概述 1257381.1高溫超導(dǎo)濾波器的物理結(jié)構(gòu) 1201611.2微帶線(xiàn)基礎(chǔ) 51.1高溫超導(dǎo)濾波器的物理結(jié)構(gòu)高溫超導(dǎo)濾波裝置基本構(gòu)成組建包含裝配有濾波裝置電路的金屬封裝盒、介質(zhì)基片、SMA接頭（）等?；捻敳亢偷撞勘砻娑几郊恿烁邷爻瑢?dǎo)層，通過(guò)各種加工手段布置微帶電路，然后借助銀膜固定到盒中，實(shí)現(xiàn)接地。在微帶電路的輸入、輸出處設(shè)置金電極。SMA接頭經(jīng)點(diǎn)焊線(xiàn)和濾波器電路連接。濾波裝置電路最終被固定在金屬屏蔽盒中。其結(jié)構(gòu)如下1.1所示。圖1.1高溫超導(dǎo)濾波器的基本結(jié)構(gòu)圖1.1.1高溫超導(dǎo)薄膜在生產(chǎn)高溫超導(dǎo)薄膜過(guò)程中使用的材料基本有釔鋇銅氧（）和鉈鋇鈣銅氧（，包括、）。針對(duì)不同超導(dǎo)薄膜的基本性質(zhì)，表1.1給出了比較[16]。表1.1各高溫超導(dǎo)薄膜的特性比較25013086從表1.1對(duì)比來(lái)看，兩種類(lèi)型的臨界溫度都超過(guò)，可以平穩(wěn)地運(yùn)行在液氮環(huán)境中。溫度達(dá)到時(shí)，下的薄膜電阻YBCO最高，最低。不過(guò)因?yàn)殂B含有毒物質(zhì)，而且鉈鋇銅氧的生產(chǎn)技術(shù)相對(duì)繁瑣，所以現(xiàn)實(shí)中普遍應(yīng)用的為YBCO超導(dǎo)薄膜。YBCO高溫超導(dǎo)材料有層狀鈣鈦礦型組織，存在銅氧面的特點(diǎn)帶來(lái)了YBCO在物理性質(zhì)和組織方面的平面特性。YBCO高溫超導(dǎo)材料對(duì)稱(chēng)性?xún)H有四方相或正交超導(dǎo)相。YBCO高溫超導(dǎo)材料存在氧缺位，這樣將按照制備途徑的差異和各種氧壓下的熱處理方式可以讓其氧含量出現(xiàn)不同。氧含量的變化對(duì)YBCO的物理屬性產(chǎn)生直接的關(guān)聯(lián)。的氧含量參數(shù)x處于范圍中連續(xù)變化：（1）x在區(qū)間之內(nèi)，YBCO呈現(xiàn)出正交超導(dǎo)相；（2）x在區(qū)間之內(nèi)，YBCO呈現(xiàn)為四方相，這一情況是非超導(dǎo)的[17]。處于正交相的晶體的結(jié)構(gòu)是一種叫做鷹鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)是：。其晶格常數(shù)的特征有時(shí)會(huì)對(duì)YBCO高溫超導(dǎo)薄膜的結(jié)晶的取向產(chǎn)生一些影響[18]。YBCO的基本晶體結(jié)構(gòu)如下圖1.2。超導(dǎo)體有著近似完美的電學(xué)性質(zhì)，超導(dǎo)體在直流狀態(tài)下可以看作沒(méi)有電阻，而交流狀態(tài)下，還是存在一定的電阻，這意味著微波表面電阻存在，而具體大小受到頻率影響。根據(jù)荷蘭研究人員實(shí)驗(yàn)給出的模型，電流在這一超導(dǎo)體內(nèi)有ns和ns兩種形式，總密度。當(dāng)溫度低于Tc，T的改變將引起和也發(fā)生改變：(1.1)由式子（1.1）能夠發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)T為0時(shí)，全部載流子皆是超導(dǎo)狀態(tài)，而當(dāng)溫度趨向Tc時(shí)，超導(dǎo)載流子平衡態(tài)中，超導(dǎo)體比值近乎為零。表面阻抗Zs概念是金屬或超導(dǎo)材料對(duì)于約束在其表面的高頻電磁波所呈現(xiàn)的阻抗。其具體表達(dá)式為[19]:Zs=Rs+jXs=ω2μRs=1Xs=ωμ0λRs是超導(dǎo)中正常態(tài)電子產(chǎn)生的損耗。表面電抗Xs，是超導(dǎo)電子產(chǎn)生的電感，這部分一般不做特別計(jì)算，僅代表了載流子的動(dòng)能。事實(shí)上，Rs是最為重要的，根據(jù)上式能發(fā)現(xiàn)，Rs隨頻率提高快速增加(Rs∝ω2)。但是，HTS在低于100GHz的頻段，產(chǎn)生的損耗會(huì)大幅度小于普通情況的損耗，如下圖所示。將其作為原料生產(chǎn)的元件的屬性將會(huì)有明顯的（77K）電子損耗（Rs）出現(xiàn)有包含兩個(gè)主要原因:其一由在于電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的消耗，這部分電子是在導(dǎo)體中沒(méi)有進(jìn)行匹配的電子。所有類(lèi)型、水平的超導(dǎo)體，全部產(chǎn)生這部分損耗，也叫做本征損耗。但是還有其他情況產(chǎn)生的損耗，現(xiàn)在尚無(wú)法合理的解釋?zhuān)浔举|(zhì)為剩余損耗，普遍認(rèn)為是本征產(chǎn)生的作用，或是因?yàn)槠涑煞旨兌炔粔蚋咭鸬摹?.1.2介質(zhì)基片生產(chǎn)超導(dǎo)薄膜的基片一般包括：氧化鎂（）、藍(lán)寶石（）和鋁酸鑭（）。具體信息如下表1.2[20]。介質(zhì)基片相對(duì)介質(zhì)常熟缺點(diǎn)（）9.7材質(zhì)機(jī)械強(qiáng)度差，易碎，易潮解（）各向異性，生長(zhǎng)超導(dǎo)薄膜難度大（）24.0存在晶疇，基片各向異性表1.2中，tanθ是介質(zhì)的損耗角正切，它代表了其個(gè)體的電磁波消耗。tanθ數(shù)值低，那么產(chǎn)生的損耗更低。對(duì)比導(dǎo)體消耗來(lái)說(shuō)，其消耗對(duì)濾波裝置插損的干擾微乎其微，能夠不進(jìn)行計(jì)算。介質(zhì)的相對(duì)介電值是設(shè)計(jì)濾波裝置過(guò)程中非常重要的一項(xiàng)數(shù)據(jù)，其具體大小會(huì)直接影響整體設(shè)計(jì)的規(guī)格。當(dāng)頻率一致的前提下，相對(duì)介電值更大，則諧振裝置的規(guī)格更??；相反，其規(guī)格就更大。通過(guò)上表中我們能夠發(fā)現(xiàn)，不夠均勻的問(wèn)題同時(shí)出現(xiàn)在后兩種材料中，這一特性對(duì)于濾波裝置，特別是窄帶濾波裝置的結(jié)構(gòu)是有影響的。由于各種諧振裝置所在位置的介電值具有不同，諧振頻率會(huì)因位置發(fā)生變化，使得濾波裝置的檢測(cè)和模擬結(jié)果存在差異，這是進(jìn)行濾波裝置布置過(guò)程中需要當(dāng)心防止的。所以在實(shí)際生產(chǎn)中一般會(huì)選擇氧化鎂。1.2微帶線(xiàn)基礎(chǔ)1.2.1微帶線(xiàn)概述薄膜微波裝置運(yùn)行的基本在于微帶線(xiàn)，如圖1.4是微帶線(xiàn)示意圖。微帶線(xiàn)組成是兩條平行的導(dǎo)線(xiàn)，把導(dǎo)體板插在這兩條互相平行的導(dǎo)線(xiàn)的中間，接著移除其中一根，根據(jù)電動(dòng)力學(xué)的唯一性能夠發(fā)現(xiàn)，裝置內(nèi)的電場(chǎng)絲毫不會(huì)發(fā)生任何變化。如此，傳輸線(xiàn)就在導(dǎo)體和導(dǎo)體板之間形成了。微帶線(xiàn)的結(jié)構(gòu)即為把介質(zhì)板的一側(cè)接地，另一側(cè)鋪上帶狀扁條形的導(dǎo)線(xiàn)。（a）(b)圖1.4微帶線(xiàn)結(jié)構(gòu)截面圖其微帶線(xiàn)有三個(gè)主要特征：微帶線(xiàn)是完全的平面組織，非常緊湊；（2）高介電值的基片能夠幫助它的規(guī)格更加?。唬?）因?yàn)槲Ь€(xiàn)四周獨(dú)特的空間布局，導(dǎo)致能夠方便連接其他元件。得益于這部分優(yōu)點(diǎn)，微帶線(xiàn)處于集成化和小型化成為無(wú)線(xiàn)電發(fā)展時(shí)代方向的環(huán)境下，逐漸被更多的人關(guān)注。但是微帶線(xiàn)還是存在著比較突出的不足之處。由于其場(chǎng)組織是半開(kāi)放型再加上場(chǎng)組織存在不對(duì)稱(chēng)的特征，微帶線(xiàn)在工作過(guò)程中，會(huì)引發(fā)非常高的輻射消耗，而且在TEM之外，別的部分也會(huì)被干擾，導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定。由于超導(dǎo)體的表面電阻非常小，通過(guò)超導(dǎo)薄膜微帶線(xiàn)就能夠應(yīng)對(duì)微帶線(xiàn)的約束，規(guī)格就無(wú)法給實(shí)際消耗產(chǎn)生干擾，所以在維持微帶線(xiàn)特征的前提下還應(yīng)當(dāng)確保具備出色屬性的濾波裝置就能制得。而在別的角度上，加入用LaAlO3當(dāng)作超導(dǎo)膜的基片，因?yàn)樗邆涓叩慕殡娭?，?huì)讓微帶線(xiàn)的規(guī)格變得更小，這一特點(diǎn)十分有利于縮小電路。微帶線(xiàn)是一種部分介質(zhì)填充的雙導(dǎo)體系統(tǒng)，所以無(wú)法傳導(dǎo)TEM波。不過(guò)當(dāng)有介質(zhì)基片（介電常數(shù)遠(yuǎn)大于空氣）時(shí)，場(chǎng)的能量基本都會(huì)聚積在介質(zhì)內(nèi)，而處于空氣中的不多，縱向分量要比橫向分量小一些，所以能夠判斷微帶線(xiàn)是運(yùn)行在準(zhǔn)TEM波狀態(tài)，能大致通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)的手段來(lái)研究，它的電磁場(chǎng)分布能夠大致通過(guò)圖1.5表示。

（b）圖1.51.2.2微帶線(xiàn)特性阻抗與相速微波傳導(dǎo)線(xiàn)包含兩個(gè)基本參數(shù)，一項(xiàng)為特性阻抗，一項(xiàng)為相速，特性阻抗直接關(guān)系到阻抗匹配，相速直接關(guān)系到傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度。

TEM波特性阻抗：Zo=L1C1=1Vp是微帶中的相速，C1是微帶單位長(zhǎng)度的電容。假如在微帶四周替換為均勻介質(zhì)，那么微帶單位長(zhǎng)度的電容是：C1=εeCC01是空氣微帶單位長(zhǎng)度的電容，微帶中的相速是:Vp=C/εe微帶的特性阻抗是：Zo=Z01/εe要計(jì)算Zo，需要計(jì)算空氣微帶線(xiàn)的特性阻抗??01和有效介電常數(shù)εe:1.對(duì)于Zo1計(jì)算：Zo1≈120πWhZo1≈60ln(8h/W+W/4h)W/h<1(1.8)1.對(duì)于εe計(jì)算：有效介電常數(shù)和實(shí)際介電常數(shù)的關(guān)系如式(1.9):εe=1+εr?1q(q=1/2{1+hw?1.2.3微帶線(xiàn)耗損在微帶電路的研究和布置應(yīng)用中，損耗是需要注意到的問(wèn)題，其為干擾微波器件Q值的關(guān)鍵原因。導(dǎo)體、介質(zhì)和輻射三部分損耗共同構(gòu)成了微帶線(xiàn)的損耗，損耗的參數(shù)為衰減系數(shù)。εr和W/h較大，輻射消耗就會(huì)較小，基本能夠看作零，損耗a=ac+ad。

ad=27.3/λ????為損耗正