高温超导限幅器的研制

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1、皇三登堇盔兰堡主墅壅兰兰壁笙兰—————————————一绪论自从1987年首次发现转换温度(T。)超过液氮温度的高温超导体(HTSC)以来，在改善高温超导体特性方面已经取得了巨大的进展，可望在实际中得到应用。国内外都投入大量的人力物力对高温超导电子学和高温超导器件进行研究，并取得了迅速发展。作为高温超导应用的一个重要方面——商温超导薄膜微波器件，以其超常的性能、体积小、功耗小和实用价值大的特点，倍受各国重视。高温超导薄膜的微波表面电阻Rs极低(在X波段，其微波表面电阻要比常规材料，如银，小2个数量级以上)。另外，高温超导薄膜材料还可以采用微带线技术对微波、毫米波电路进行单片集成

2、，并能同液氮温区工作的常规固态器件进行混合集成，做到噪声极低、色散极小，且体积、重量都将成倍地降低。因此高温超导薄膜是制作高质量的微波无源、有源器件的理想材料。接收机是通讯系统和雷达系统中一个重要的环节。接收机的晟重要的指标是灵敏度，高灵敏度的接收机对通讯系统而言，扩大了网络的覆盖面积：对雷达系统而言，提高了雷达作用距离或减少了发射功率以及增强了识别小目标的能力。利用高温超导器件来研制高灵敏度接收机，将大大提高系统的整体性能，高温超导微波器件具有噪声极低、损耗极小以及体积小、重量轻等常规器件无法比拟的优越性能，用在卫星空间通讯系统、高灵敏度接收机和雷达接收系统中，将使这些装备取得

3、战斗力倍增效应，从而在电子战中发挥重大作用。这种高灵敏度接收机在电子对抗和军事通信中有着举足轻重的地位，国家的一些特殊部门(如国家安全部等)也迫切需要用于特种侦察的极高灵敏度的接收机系统。高温超导接收机核心子系统为高温超导高灵敏度雷达接收机前端系统。该前端系统采用高温超导带通滤波器或滤波器组、高温超导微波限幅器、高温超导高稳定低相噪振荡器以及高温超导传输线，并同液氮温区(77K)工作的常规固体器件诸如低噪声放大器、混频器等器件混合集成前端系统，如图l。该子系统将皇主型垫苎兰堕主塑里兰兰壁堕生一一———具有极高的接收灵敏度，比常规系统灵敏度提高约3～5dB。若将该接收机前端应用于雷

4、达系统中，在雷达发射功率一定的情况下，可使雷达系统作战半径增加19％～33％，该结果等效于将雷达发射机功率增加2～3倍：若保持雷达作用距离不变，该结果又等效于可将雷达的发射功率减小50％～68％：若作用距离不变、发射机功率不变，可使发现概率大大提高，同时对信号处理的压力也大为减轻。若应用于侦察接收机中可使侦察半径增加41％～78％。本论文所要研究的微波限幅器是雷达接收机系统中一常用器件，用它来对接收机进行保护。通常，接收机中的一些高灵敏器件(如低噪放大器LNA)的功率承受能力很低，容易被偶然进入接收机的尖峰脉冲烧毁或者造成接收机的堵塞。微波限幅器放置在接收机的前端，如果它的插损过

5、大。就会增大了接收机的总噪声系数，降低了接收机的灵敏度，影响了整机的性能。因此我们希望，微波限幅器的损耗尽可能小，以提高接收机的灵敏度。而一般常规的微波限幅器的插损为0．6～2dB。本论文就是利用高温超导薄膜材料的损耗极低和其所具有的临界电流密度(J。)的特性，设计、研制了高温超导微波限幅器。其设计指标：温度：77K，f：9．4～9．6GHz，常态插损L≤0．4dB，门槛电平：10dBI，驻波比≤1．5。RF输入图1、高温超导雷达接收机前端系统框图坐￡型垫查兰堕主墅塞兰兰堡堕苎———————————————一第一章超导2．1、超导的发展超导电性是荷兰物理学家昂内斯在1911年发现

6、的。他发现汞的直流电阻在4．2K时突然消失，在此温度以下汞就成为超导体，此温度称为临界温度(T。)。至此以后，虽然有许多金属、合金和一些化合物材料被发现是超导体，但T。的升高很慢。到1987年，首次发现转化温度超过液氮温度的高温超导体(HTSC)。由于氮气的资源丰富，同时高温超导的研究摆脱了低温超导研究中所需要的庞大复杂而且价格昂贵的制冷系统，使超导研制向实际应用迈出了极其重要的一步。国内外都投入了大量的人力物力对高温超导器件进行研究，并获得了迅速发展。其中高温超导微波、毫米波器件的发展最为迅猛，是高温超导器件中最有发展潜力最富应用前景的方向之一。2．2、超导的基本理论1．2．1

7、、超导基本概念l、零电阻现象：昂内斯在1911年发现，在4．2K以下汞进入了一种新的物态。在这一新物态下汞的直流电阻实际上为零。他把这种显示超导电性质的物态定名为超导态。超导体则表示当冷却到一定温度以下能表现出超导电性的材料。超导体失去电阻时的温度称转变温度或临界温度，用T。表示。2、迈斯纳效应(Mei$snet"effect)1933年，迈斯纳用实验证明，当超导体从正常态转变为超导态后，原来穿过样品的磁通量完全被排除在样品外(即超导体内部磁感应强度8不仅恒定不变，而且恒定为零，