[论文解读] A near-field scanning SQUID microwave microscope

Vladimir V. Talanov, N. Lettsome+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2013

Near-Field Optical Microscopy参考文献 17被引用 6

一句话总结

本文提出了一种近场扫描SQUID微波显微镜，通过结合磁通调制与双锁相技术，实现了50至200 MHz频段内、具有超宽带和高灵敏度的射频磁场检测。该系统在77 K下使用YBa₂Cu₃O₇双外延SQUID，实现了80 dB的线性动态范围和200 MHz频率下的4 μΦ₀/√Hz磁通噪声密度，从而实现了对共面波导、微带线和表面贴装天线中射频磁场的高分辨率成像。

ABSTRACT

We developed a scanning DC SQUID microscope with novel readout electronics capable of wideband sensing RF magnetic fields from 50 to 200 MHz and simultaneously providing closed-loop response at kHz frequencies. To overcome the 20 MHz bandwidth limitation of traditional closed-loop SQUIDs, a flux-modulated closed loop simultaneously locks the SQUID quasi-static flux and flux-biases the SQUID for amplification of the RF flux up to $Φ_0/4$ in amplitude. Demodulating the SQUID voltage with a double lock-in technique yields a signal representative of both the amplitude and phase of the RF flux. This provides 80 dB of a linear dynamic range with the flux noise density of 4 $μΦ_0/\sqrt{Hz}$ at 200 MHz for $YBa_2Cu_3O_7$ bi-crystal SQUID at 77 K. We describe the electronics performance and present images for RF magnetic field of the travelling wave in a coplanar waveguide, the standing wave in an open-circuited microstrip, and a surface mounted device antenna.

研究动机与目标

• 开发一种可在50–200 MHz频段内实现超宽带射频磁场检测的扫描SQUID显微镜。
• 克服传统闭环SQUID在射频传感中20 MHz带宽的限制。
• 在近场微波成像中实现射频磁通检测的高动态范围与低噪声。
• 实现平面微波结构与器件中射频场的定量振幅与相位成像。
• 在实际射频元件（如共面波导、微带线和表面贴装天线）上验证该技术。

提出的方法

• 将直流SQUID与新型读出电子电路集成，实现50至200 MHz频段内的超宽带射频传感。
• 采用磁通调制技术，同时锁定SQUID的准静态磁通，并对其偏置以放大高达Φ₀/4的射频磁通。
• 采用双锁相技术对SQUID电压进行解调，以提取射频磁通的振幅与相位。
• 系统采用改进的磁通锁定环路的闭环反馈机制，将带宽扩展至20 MHz以上。
• SQUID在77 K下工作，采用YBa₂Cu₃O₇双外延结构，以最小化热噪声并提高灵敏度。
• 通过将SQUID传感器靠近样品进行近场扫描，以检测局部射频磁场。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于SQUID的显微镜能否实现高达200 MHz的射频磁场高灵敏度、超宽带检测？
• RQ2 如何克服传统闭环SQUID在射频应用中20 MHz带宽的限制？
• RQ3 能否在高动态范围与低噪声条件下同时测量射频磁通的振幅与相位？
• RQ4 在200 MHz频率下，近场SQUID微波显微镜可实现的磁通噪声密度与动态范围是多少？
• RQ5 该系统能否分辨并成像平面微波结构与电子器件中的复杂射频场分布？

主要发现

• 系统在200 MHz时实现了4 μΦ₀/√Hz的磁通噪声密度，证明了其在微波频段的高灵敏度。
• 实现了80 dB的线性动态范围，可在不饱和的情况下检测弱信号与强信号。
• 磁通调制闭环技术成功将有效带宽扩展至标准SQUID配置的20 MHz限制以上。
• 显微镜成功成像了共面波导中的行波，显示出沿结构一致的相位进展。
• 在开路微带线中清晰分辨出驻波模式，证实了振幅与相位检测的准确性。
• 对表面贴装器件天线实现了亚波长分辨率成像，揭示了局部射频场的分布特征。