基于高温超导材料的限幅器设计开发

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雷达系统、电子对抗系统、通信系统中重要的一个环节就是信号的接收。但是在接收机系统中常常会出现因为自身原因或者外部大功率信号的输入导致接收设备饱和甚至器件烧毁的情况。因此需要在其前端加限幅器。当接收到的为小功率信号时,信号可无损耗地通过;而面对大功率信号时,信号会产生大幅度的损耗,信号越强损耗越大。而常规限幅器都会面临带宽、承受功率、响应时间、损耗等关键技术指标间的相互制肘,难以实现完全满意的性能,导致接收系统的发展存在严重的限制,因此对更低损耗、更大承受功率范围、更宽带宽的新一代的微波限幅器的研究任务迫在眉睫。自1911年首次发现超导现象及1987年高温超导材料钇钡铜氧被发现以来,各国专家开始大量开展对超导材料的研究,并且在研究中发现的高温超导材料独有的特性也进一步促进了超导新器件的开发。本文研究的高温超导限幅器正是基于高温超导薄膜极低的表面电阻以及临界电流密度的特性而工作的。高温超导薄膜具有极低的表面电阻,从而高温超导限幅器也具有极低的插入损耗,大大降低了对接收机系统灵敏度的影响。同时,当限幅器内部的电流密度低于超导的临界电流密度值时,限幅器处于极低损耗的超导态;而当电流密度超过超导的临界电流密度值时,限幅器失去超导性,转变为高损耗的正常态。本文的核心工作是通过分析超导薄膜材料的非线性特征,利用超导薄膜材料所特有的表面电阻极低以及临界电流密度(Jc)的特性,同时结合高温超导限幅器的相关理论,利用电磁仿真软件实现高温超导限幅器的设计,最后进行限幅器的加工制作以及测试工作。本文首先采用微带线结构进行限幅器的仿真设计,实现了工作频率为3 MHz-6 GHz的超导限幅器,同时为了进一步拓宽高温超导限幅器的工作带宽,本文又采用共面波导结构实现了工作频率在3 MHz-18 GHz的超导限幅器的设计仿真工作。在设计过程中,利用阻抗变换结构实现限幅节与50Ω输入输出端口的阻抗匹配,并且在理论公式计算的基础上,使用电磁仿真软件Sonnet对两种高温超导限幅器的电路结构不断进行仿真优化,通过对限幅器的回波损耗和电流密度参数进行分析,最终确定了限幅器结构的尺寸,完成了满足设计要求的两种超导限幅器的设计与仿真。高温超导限幅器的加工制作采用的是半导体平面加工工艺技术,其中包括高温超导薄膜的制备、超导电路的光刻、金层刻蚀、超导电路切割等步骤,最后制作完成的高温超导限幅器在稳定的真空低温环境下进行限幅性能的测试并对其性能进行分析。
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