专利名称：高温超导射频量子干涉仪系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于微弱磁场测量装置技术领域，尤其涉及高温超导射频量子干涉仪(HTc rf SQUID)系统。
背景技术：
目前超导量子干涉仪(SQUID)是人类所知道的最灵敏的磁场检测装置，由于其极高的磁场灵敏度，因而被用于检测极其微弱的磁场信号，在心磁测量、地磁测量、无损检测和磁显微镜等方面有着广泛的应用前景。也是由于它的高灵敏度，SQUID磁强计一般只能在屏蔽室或环境安静电磁干扰小的野外使用。现有的工作在800MHz频段的HTc rf SQUID是由德国发明的，这种800MHz HTc rfSQUID的磁通噪声已经较低，由于采用了具有磁聚焦器效果的超导共面谐振器，使探头的有效面积较大，因而使系统有较高的磁场灵敏度。这种高性能HTc rfSQUID工作在800MHz波段，可工作范围是600MHz到1GHz。然而由于该频段正是我国手机通讯最密集的频段，移动通讯信号对HTc rf SQUID系统有极大的干扰，不仅带来巨大的噪声，而且会使系统失锁而无法正常工作。因此，为有利于HTc rf SQUID的推广应用，进一步提高HTc rf SQUID的工作频率，使其躲开移动通讯频段是必要的。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种工作频率可以更高的超导量子干涉仪系统，其工作频率的提高主要是通过对探头结构的改进实现的。
本实用新型的技术方案如下高温超导量子干涉仪系统，包括探头、射频工作电路，探头通过一根射频线与射频工作电路相连接。所述探头包括由三条不闭合的环线构成的超导薄膜空心共面谐振器、与该空心共面谐振器相分离的超导薄膜磁通聚焦器、SQUID器件、微波耦合环，SQUID器件位于磁通聚焦器上方，空心共面谐振器位于SQUID器件上方、并且处于SQUID器件和微波耦合环之间。
所述的高温超导射频量子干涉仪系统，其探头结构中的空心共面谐振器与SQUID器件之间的距离可以通过加入一定厚度的垫片进行调节，以改变SQUID器件与谐振器回路之间的耦合系数。
根据国家无线电管理局制定的频段划分标准，在1.2276GHz至1.427GHz之间有一段空隙。进一步设计所述探头结构中的空心共面谐振器的尺寸，该探头可以工作在1.23～1.42GHz频率范围之间，中心频率约为1.3GHz，带宽为190MHz，从而使得所述高温超导射频量子干涉仪系统可以工作在该频段范围内，具体方案如下所述空心共面谐振器制作在10×10mm2的衬底上；所述三条不闭合环线的宽度均为200μm，线间距离为100μm，中间环线的边长或直径为4.4mm；所述三条不闭合环线上的开口长度为50μm，且外环与中环开口处成180°角。所述衬底为LaAlO3衬底或者SrTiO3衬底。与其相应的射频工作电路工作在1.2276GHz至1.427GHz频率范围之间，中心频率为1.3GHz。
本实用新型的HTc rf SQUID系统，其探头采用的是无磁通聚焦器的超导薄膜共面谐振器和大面积磁聚焦器这种新型结构形式，经调试系统工作正常，系统开环时可以稳定地显示三角波，闭环时可以正常锁定。发明人对HTc rf SQUID系统进行了测试，并用HP 35665A动态信号分析仪测量了系统的噪声谱曲线，测量是在μ合金屏蔽筒内进行的，测量结果如图4所示，可以看出其白噪声为SΦ1/2＝2.8×10-5Φ0/√Hz。发明人对该系统的磁场磁通转换系数进行了定标，在谐振器与SQUID器件之间加了2mm的LaAlO3垫片的情况下，测量得到磁场磁通转换系数B/φ＝1.52nT/Φ0，有效面积Aeff＝1.35mm2。由此可得系统的磁场灵敏度SB1/2＝43fT/√Hz(白噪声区)。结果表明成功地完成了一个新频段的rfSQUID电路的创新性设计和制作。
本实用新型的优点和积极效果根据HTc rf SQUID的工作原理和噪声理论可知，提高工作频率有利于降低磁通噪声。本实用新型的HTc rf SQUID系统可工作在1.23GHz至1.42GHz，中心频率约是1.3GHz左右，带宽190MHz。这是在大于1GHz，小于2GHz拥挤不堪的频段内的一小段空闲频段，避开了手机干扰频段。
图1为本实用新型系统的电路结构框图。图中1-探头，2-射频工作电路，3-调整盒，4-信号发生器，5-双踪示波器图2(a)为本实用新型系统中的探头结构示意图。图中21、24、27-衬底，22、23、26-超导薄膜，25-微波耦合环，28-垫片21和22共同组成超导薄膜磁通聚焦器23和24共同组成SQUID器件26和27共同组成超导薄膜空心共面谐振器图2(b)为探头结构中的共面谐振器结构示意图。
图2(c)为探头结构中的磁通聚焦器结构示意图。
图3(a)为本实用新型系统中的射频工作电路的结构框图。
图3(b)为射频工作电路中的方向耦合器电路图图3(c)为射频工作电路中的前置放大器电路图图3(d)为射频工作电路中的压控振荡器电路图图3(e)为射频工作电路中的混频器电路图图3(f)为射频工作电路中的衰减器电路图图3(g)为射频工作电路中的反馈回路及低频放大电路图图4为本实用新型系统的磁通噪声谱曲线。
具体实施方式
以下部分内容给出本实用新型的一个可以工作在1.23GHz～1.42GHz，中心频率为1.3GHz的HTc rf SQUID系统实例。
如图1所示，HTc rf SQUID系统包括探头1、射频工作电路2、调整盒3、信号发生器4、双踪示波器5。探头1采用图2(a)所示的三层新型结构，放置在杜瓦瓶的液氮中，液氮温度是77K左右。探头1通过一根一端接有SMA插头的射频线连接到射频工作电路2的SMA插座上；射频工作电路2的另一端装有一个15针插座，射频工作电路2通过与这个15针插头连接的一条15针电缆与调整盒3的15针插座相连，调整盒3中有14路信号通过15针连线输入射频工作电路2，它们是VCO(输出频率)、ATT(输出衰减)、VDO(直流电平)、LOCK/FREE(锁定/开路)、RESET(复位)、DCFLUX(直流磁通量)、MOD0(信号发生器输入0)、MOD1(信号发生器输入1)、+VCC(+12V)、-VCC(-12V)和四个“接地”端，其中的三路直流电压VCO、ATT调节范围是0到12伏，VDC调节范围是-10伏到+10伏。射频工作电路2另有一路信号SIGNAL(与被测磁场相关的电压输出信号)通过15针连线输出到调整盒3，继而送入双踪示波器5显示。信号发生器4产生的三角波信号输出到调整盒3的Q9插头(MOD0或MOD1)上，继而通过15针连线输入射频工作电路2，其产生的三角波电压是超导量子干涉仪所需要的扫场电压。
调整盒3的前面板上有三个多圈电位器，可以手动调节VCO、ATT、VDC的数值，以调整SQUID的工作状态。调整盒前面板上有两个机械开关，一个是LOCK/FREE(锁定/开路)单刀双掷开关，当它置于FREE位置时，电路处于开环状态，示波器显示三角波。但它处于LOCK锁定状态时，示波器显示锁定后的一条直线。另一个开关是RESET(复位)按键开关，按下时可使射频工作电路复位。
上述HTc rf SQUID系统的工作原理是探头用来探测微弱的磁场信号，它把检测到的与外磁场相关的射频电压信号输入射频工作电路中，射频工作电路再通过放大、检波，获得与外磁场有关的电压信号。调整盒产生射频工作电路所需要的三路可调直流电压(VCO、ATT、VDC)，分别调整超导量子干涉仪的输出频率、衰减和直流电平，这三路直流电压当VCO、ATT、VDC取不同的数值时，超导量子干涉仪输出波形是不同的，从而改变超导量子干涉仪的工作状态和输出波形；调整盒还产生控制射频工作状态的“复位”和“开路/锁定”开关，并将信号发生器输出的SQUID所需的三角波扫场信号输给射频工作电路。
以下具体介绍探头和射频工作电路结构一、探头如图2(a)所示，探头是由三层结构构成。磁通聚焦器(21和22)由面积较大的YBCO超导薄膜制成，外经＝3.5mm的SQUID器件(23和24)与磁通聚焦器面对面相贴。超导薄膜空心共面谐振器(26和27)放在SQUID器件上方、在SQUID器件和微波耦合环25中间。超导薄膜空心共面谐振器与SQUID器件之间的距离可以通过加入一定厚度的LaAlO3垫片28来调节，以改变SQUID器件和谐振器回路之间的耦合系数κ。
如图2(b)和(c)所示，分别为构成空心共面谐振器的超导薄膜26和构成磁通聚焦器的超导薄膜22，分别制作在LaAlO3衬底27和21上。薄膜用脉冲激光淀积制备，厚度约为300nm。图型采用标准光刻工艺制备，即甩胶、烘烤、爆光、显影、定影，最后用2％的稀磷酸湿法腐蚀而成。
超导薄膜空心共面谐振器的谐振频率设计为1.3GHz频段，中心环线尺寸为4.4mm，它制作在10×10mm2的LaAlO3衬底27上。三条开口环的宽度均为200μm，开口大小是50μm，线间距离为100μm，外环与中环开口处成θ＝180°角。用反射法在HP8590L谱仪上对该共面谐振器的谐振频率和无载品质因数Q0进行测量，测得谐振频率f0在1.24GHz左右，无载品质因数Q0在1850左右。
超导薄膜磁通聚焦器作在15×15×mm2的LaAlO3衬底21上，为了充分利用衬底面积，超导薄膜一直延伸到衬底边缘。磁通聚焦器中心孔尺寸为1.2×1.2mm2，在开缝的外端口设计了一个方形缺口，在整个图形光刻爆光以前，此处预先经较长时间爆光，以避免制作过程中狹缝在端点连接。
整个探头按图2(a)所示装配，所用SQUID器件(23和24)外径＝3.5mm，内孔为10×500μm2，制作在5×5mm2的SrTiO3衬底24上，器件上的Josephson结为衬底台阶结。微波耦合环和超导薄膜空心共面谐振器之间的距离可以通过调节垫片28的厚度进行调节，用于调节rf SQUID器件的谐振器与微波传输线之间的耦合系数，以此改变探头的有载品质因素QL。用HP 8590L频谱仪测得探头的谐振频率f0是1.27GHz，Δf＝5.3MHz，QL为240。
二、射频工作电路射频工作电路的电路框图如图3(a)所示，由方向耦合器、射频放大器、射频压控振荡器(射频本振)、射频衰减器、射频混频器、低频放大器、积分器和反馈电路等8部分构成。射频本振信号通过射频衰减器产生SQUID所需的射频偏置电流，通过方向耦合器反向馈入rfSQUID，向SQUID提供能量，即偏置rf SQUID。而SQUID在从射频工作电路汲取能量的过程中，也会把待测的外磁场信号传回射频工作电路，这样被测的磁场信号就通过方向耦合器的直通通道传入射频放大器进行射频放大、再通过射频混频器检波后，获得与被测磁场相关的电压信号。低频放大器、积分器和反馈电路构成的锁定回路将输出信号反馈到rfSQUID上去，从而在rf SQUID内产生补偿场，构成磁通锁定式rf SQUID，使输出电压与外磁通的变化成线性关系。各部分的电路图分别如图3(b)～图3(g)所示。
1.方向耦合器(Coupler)方向耦合器是可以选择信号传输方向的器件。它通常有四个端口，输入端口(Input)、输出端口(Output)、耦合端口(Coupled)和Termination端口。在Input与Output间是直通通道，信号通过时的损耗叫主通道插入损耗(Mainline Loss)，在Coupled与Input之间是耦合通道，信号通过的衰减用耦合度(Coupling)表示。
本实施例中的方向耦合器为Mini-Circuits公司生产的JDC-20-5，电路图如图3(b)所示。它的工作频率范围是50-1500MHz。Input端与SQUID相连，Output端和射频前置放大器相连，Coupled端与射频偏置源(振荡器后的衰减器)相连。Input端从rf SQUID谐振器上取得的SQUID信号通过主通道正向传输到射频前置放大器，插入损耗是1.0-1.5dB。振荡器产生的射频电流信号从Coupled端输入传输到Input端，接着向下传到rfSQUID的谐振回路作偏置电流，耦合度是20dB。可见有了方向耦合器，rf SQUID和工作电路之间只用一根传输线相连就可实现射频信号的双向传送。Termination端接50Ω电阻，达到阻抗匹配。
2.射频放大器(RF Amplifier)射频放大器是把SQUID中提取出的信号进行放大，再变频检波出被测信号。SQUID探头送入射频放大器第一级的信号功率约-90dBm到-70dBm，根据混频器射频输入要求，射频放大器功率放大倍数为40dB到60dB。本实施例中的射频放大器电路图如图3(c)所示，共由三级组成。第一级由Mini-Circuits公司生产的AT-41511低噪声管组成，功率增益15dB，噪声系数1.0dB-1.5dB。第二级为Mini-Circuits公司生产的MAR-6组成，增益16dB，带宽是DC到2000MHz。第三级为Mini-Circuits公司生产的RF2301组成，功率增益20dB，带宽300MHz到2500MHz。这样的三级射频前置放大器的总功率增益在40dB到50dB之间。射频放大器要放在屏蔽盒内，为减小每级之间的耦合，级与级之间的屏蔽以及前放与其它电路之间的屏蔽要做好。
3.射频压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator)本实施例的集成压控振荡器为Mini-Circuits公司生产的JTOS-1650。它的几个指标如下频率范围1200-1650MHz输出功率7.0dBm电源供电+12V，30mA调整电压范围1.0V-13.0V。
调整电压灵敏度(Turning Sensitivity MHz/V)50.0-90.0MHz/V。这项指标是指调整电压每变化1.0V引起的振荡频率的变化。
电源电压灵敏度(Pushing MHz/V)1.5MHz/V。此项指标是指电源电压每变化1.0V引起的振荡频率的变化。它表示电源电压的波动对振荡频率的影响。这项指标的数值应该越小越好。
本实施例中的压控振荡器电路图如图3(d)所示。图中U3是Mini-Circuits公司生产的振荡器JTOS-1650。所产生的射频信号一路送给可调衰减器，另一路送给混频器。电源输入端V-CC和调整电压端VVCO加了L-Cπ型滤波网络，隔离直流与射频信号并稳定直流电压。当调整电压从1.0V变到13.0V时，压控振荡器的振荡频率将从1092.46MHz变到1836.10MHz。调整电压是7.0V，振荡频率是1501.99MHz。
4.混频器(Mixer)本实施例中的混频器是Mini-Circuits公司生产的TUF-5。
其频率范围是本振/射频(LO/RF)20-1500MHz，中频(IF)DC-1000MHz。
其变频损耗是9dB。
其隔离度在中间频段(Mid-Band)LO-RF是30dB；LO-IF是18dB。
其电路图如图3(e)所示。C21馈入射频信号，C48馈入射频本振信号。C42是射频滤波电容。
5.可变衰减器(Attenator)本实施例中的可变衰减器是4PIN管π型衰减器，如图3(f)所示。+5V为供电电源，VATT为可调电压输入端。HSMP-3814是PIN管。改变VATT的直流电压，衰减器的衰减倍数随着改变。R6、R7和R32是一个π型固定衰减器，用于进一步衰减功率。电路经过测试，在1.0GHz到1.5GHz范围内，衰减量是-90dBm到-70dBm。
6.低频锁定环路反馈和低频放大电路组成低频锁定环路，使rf SQUID系统工作在无调制磁通锁定方式，其电路图如图3(g)所示。从混频器变频出的信号经过U9、U6两级低频放大器，放大600倍后，进入积分电路U7，然后通过运算放大器U8反馈到SQUID。第二级放大器U6是加法器，DCLELVE(直流电平)电平从加法器的一端加入，调整DCLELVE的电压值，可改变锁定点。U7、R16、R27和C25组成积分电路，电阻R27使运算放大器U7直流闭环。U5是跟随器输出级。MAX4622(S3)是“开环/锁定”开关，MAX318(S4)是“复位”开关。组成反馈电路的U8也是一个加法器，DCFLUX电平从此加入，调节DCFLUX可改变送入SQUID的磁通量。
射频工作电路调试结果射频工作电路经测试性能正常。HTc rf SQUID频率可调范围是1GHz到1.5GHz，在此频率范围内可以检测到三角波，闭环时可以正常锁定。用模拟开关替代“开路/锁定”和“复位”两个机械开关后，低频电路工作正常，可以在屏蔽室外远端控制HTc rf SQUID使其正常复位和锁定。
权利要求1.高温超导射频量子干涉仪系统，包括探头和射频工作电路，其特征在于所述探头包括超导薄膜磁通聚焦器，超导薄膜共面谐振器，超导量子干涉仪器件，微波耦合环；所述超导量子干涉仪器件位于所述磁通聚焦器上方；所述共面谐振器是由三条不闭合的环线构成的空心共面谐振器，该共面谐振器和所述磁通聚焦器相分离，并且位于所述超导量子干涉仪器件上方，处于所述超导量子干涉仪器件和所述微波耦合环之间。
2.如权利要求1所述的高温超导射频量子干涉仪系统，其特征在于所述探头中的空心共面谐振器与所述超导量子干涉仪器件之间设有一定厚度的垫片。
3.如权利要求1或2所述的高温超导射频量子干涉仪系统，其特征在于所述空心共面谐振器制作在10×10mm2的衬底上；所述三条不闭合环线的宽度均为200μm，线间距离为100μm，中间环线的边长或直径为4.4mm；所述三条不闭合环线上的开口长度为50μm，且外环与中环开口处成180°角；所述射频工作电路的工作频率在1.23～1.42GHz之间，中心频率为1.3GHz。
4.如权利要求3所述的高温超导射频量子干涉仪系统，其特征在于所述衬底为LaAlO3衬底或者SrTiO3衬底。
专利摘要本实用新型提供了一种工作频率可以更高的高温超导射频量子干涉仪系统，包括探头、射频工作电路，探头通过一根射频线与射频工作电路相连接。所述探头包括由三条不闭合的环线构成的超导薄膜空心共面谐振器、与该空心共面谐振器相分离的超导薄膜磁通聚焦器、SQUID器件、微波耦合环，SQUID器件位于磁通聚焦器上方，空心共面谐振器位于SQUID器件上方，且处于SQUID器件和微波耦合环之间。进一步设计探头中的空心共面谐振器的尺寸，该探头可以工作在1.23～1.42GHz频率范围之间，从而使得所述高温超导射频量子干涉仪系统可以工作在该频段范围内，从而避开了手机干扰频段。
文档编号G01R33/035GK2638073SQ0327575
公开日2004年9月1日 申请日期2003年7月15日 优先权日2003年7月15日
发明者刘新元, 谢飞翔, 戴远东, 孟树超, 马平, 杨涛, 聂瑞娟, 王福仁 申请人:北京大学
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