高溫超導濾波器系統及其應用

摘要：本文概述了高溫超導濾波器系統的構成、性能特點及在移動通信和軍事裝備中的應用優勢，介紹了國外研究現狀及我國在超導濾波器研究、產業化工作中的進展，分析了超導濾波器的應用前景。

關鍵詞：濾波器；移動通信；軍事裝備；高溫超導

前言

濾波器是電子、通信系統中的關鍵器件，作用是對電信號進行提取、分離或抑制。隨著使用頻段的不斷擴展，設備間的干擾也日趨嚴重，因此濾波器不但要確保產品本身正常工作，而且要減少相互影響、維持正常的無線工作環境。常規濾波器由于金屬電阻會產生一定衰耗，不可能達到理想的濾波性能。高溫超導技術的發展，為開發高性能濾波器提供了一種切實有效的方法。目前，高溫超導技術在通信、雷達與射電天文等領域取得重大突破，美國已將高溫超導濾波器推向市場，并成功實現了批量應用。

在移動通信頻段，高溫超導材料的電阻比金屬小3個數量級左右，制作的微帶器件具有很高的品質因數，高溫超導濾波器具有損耗極小、邊帶極陡峭、帶外抑制極好的特點。對傳統濾波器，由于金屬有損耗，要減小插損，只能減少濾波器階數，邊帶不可能陡峭；要提高濾波器陡峭度，必須增加階數，勢必會增大插損，很難同時兼顧這一對矛盾量。而高溫超導濾波器是目前可以同時解決損耗和陡度的唯一有效方案，具有十分理想的濾波性能。在窄帶寬、高階數濾波器中優勢非常明顯。1995年，美國的zhang等研制成19階契比雪夫高溫超導濾波器。2001年，日本的Ueno等研制成32階契比雪夫濾波器，其性能遠非常規濾波器可比。1998年，英國的洪嘉生等首先采用準橢圓函數設計，在通帶附近設置一對或多對零點。2003年，日本的Tsuzuki等制作了22階5對傳輸零點的高陡度超導濾波器，技術指標達到了嶄新高度。

高溫超導濾波器構成

高溫超導濾波器由于工作溫度低，需要深度制冷，因此外圍部件較多，結構較復雜。主要包括高溫超導濾波放大電路、深度制冷系統、精確控制系統、真空絕熱系統四部分，如圖1所示。

其中高溫超導濾波放大電路是系統的核心部分，包括高溫超導濾波器(HTS Filter)和低溫低噪聲放大器(LNA)，濾波器微帶電路由高溫超導薄膜材料制作，工作溫度在液氮溫區(77K)，為降低系統的噪聲，將低噪聲放大器也放置于低溫區。

深度制冷系統為高溫超導濾波器提供實現超導特性的低溫工作環境，一般常用斯特林制冷機或脈沖管制冷機，是系統的另一關鍵部件。

真空絕熱系統是將工作于液氮溫區的超導濾波放大電路與外界的室溫環境隔開，盡可能降低兩者間的熱量傳遞，真空度的保持狀況將直接影響制冷機的狀態，影響超導濾波器系統的工作穩定性。

精確控制系統是實時測試高溫超導濾波放大電路的實際工作溫度，隨時對制冷系統發出指令，保持冷區溫度恒定，同時對系統的相關參數進行監控和預警。

高溫超導濾波器的優勢

高溫超導濾波器與傳統濾波器相比，具有明顯的性能優勢，選擇國外制作的優良常規濾波器和天津海泰超導公司制作的超導濾波器進行比較，如圖2所示，可看出超導濾波器的優勢主要體現在兩個方面：(1)極低的插損(小于0.2dB)，再配合低溫低噪聲放大器，超導濾波器系統的噪聲系數大約在0.7dB左右，與傳統的2-3dB的系統噪聲系數相比改善不少。(2)優異的帶邊陡度特性，超導濾波器可以制作出接近矩形的頻率響應曲線，若應用于存在鄰頻干擾的環境中，可充分發揮超導濾波器的優勢，如圖2中所示，常規濾波器對干擾信號的抑制非常有限，而超導濾波器則可以將干擾信號完全抑制掉。

在實際應用中，超導濾波器對設備性能的提升程度也由這兩方面直接決定，超導濾波器系統噪聲的改善可直接反映出來，無論設備的外界無線環境狀況如何，通過抑制干擾信號提升設備性能則取決于實際的干擾狀態，干擾越嚴重，超導濾波器的優勢越明顯，若無干擾信號，超導濾波器的帶邊陡度優勢就難以體現。國外曾做過試驗，無干擾時，系統改善只有1～2dB，對于強干擾環境，超導濾波器可將系統改善十多dB，甚至達數十dB。

目前，國內外針對超導濾波器在移動通信系統中的應用做了大量工作，在基站安裝超導濾波器后，可有效降低接收系統的噪聲系數，提高系統的抗干擾能力，優勢如下：

(1)降低手機發射功率：超導濾波器可降低基站接收系統的噪聲系數，提高基站接收靈敏度，降低手機發射功率，減小手機輻射對人體的危害，延長手機電池使用時間。

(2)擴大基站覆蓋范圍，節省建設投資：系統接收靈敏度的提高，可擴大基站覆蓋范圍，減少基站數量，在系統噪聲改善3dB的情況下，基站覆蓋距離可增大20％，覆蓋面積增大40％。

(3)提高通話質量，提升基站容量：超導濾波器的應用，可全面提升通話質量，降低手機掉話率，提高接通率，提升數據傳輸速率，同時使基站能容納更多的用戶。

(4)充分利用頻率資源：超導濾波器特有的邊帶陡峭、帶外抑制好的特點，在不增加其他設備情況下，可以減少信道間防護頻帶(Guard Band)寬度，增加可用的頻帶帶寬。

(5)為一些特殊場所提供有效的解決方案：在一些文物保護單位、旅游景區等不適宜建設基站的場所，可通過在臨近基站應用超導濾波器增加覆蓋解決，另外，隨著人們環保意識的增強，對于抵觸在居民區建設基站的問題也是一種很好的解決方法。

高溫超導濾波器的研究現狀

針對移動通信、雷達、衛星通信、導航、電子對抗、天文觀測、數字電視和其他系統的要求，美、中、英、日等國已經研制出的多種類型、不同用途的超導濾波器。

在移動通信領域，歐盟于1996年提出了高溫超導濾波器移動通信系統(SUCOM)研究計劃，設計滿足第三代移動通信標準WCDMA需求的超導濾波器系統。美國在2000年前完成了超導濾波器在基站中的并網運行試驗，對市區TDMA移動通信系統試驗表明，超導濾波器使高峰期內基站容量增加80％；在強射頻干擾CDMA基站時，超導濾波器仍能大幅增加基站覆蓋面積；Conductus公司與日本KDD和Hitachi公司完成了超導濾波器在3G系統中應用實驗，證明在覆蓋、容量、誤碼率、抗干擾和手機功率等方面有大幅改善。日本Toshiba公司于2004年設計了數字地面電視中繼站用高溫超導濾波器，并成功在日本廣播公司的設備中進行了試驗。

軍事裝備領域一直是超導濾波器發展的重要動力。在空間應用方面，美國海軍牽頭進行了高溫超導空間實驗計劃(HTSSE)，并于2000年完成前二階段試驗；美國宇航局將低溫接收機前端列為實現21世紀戰略目標的關鍵技術，用于空間數據傳輸。在雷達和制導方面，美國STI公司研制了包含32個超導帶阻濾波器的濾波器組，可實現從8.5GHz到10.5GHz的快捷跳變，在機載預警雷達中發揮了重要作用；美國Conductus公司研制的超導數字瞬時測頻接收機系統專門用于空軍ALR-74和海軍AN/WLR-11預警接收機的雷達系統上；美國海軍試驗研究所正將超導濾波器和低溫低噪聲放大器用于艦載多普勒雷達中，提升在海洋雜波群中識別小目標的能力，對掠海面突防導彈進行監測。在射電天文方面，荷蘭為解決俄羅斯導航衛星對Westerbork射電天文望遠鏡的嚴重干擾，研制了超導帶阻濾波器；英國伯明翰大學研制的用于射電天文接收機的超導濾波器有效控制了常規濾波器無法消除的觀測窗口兩側的電視信號干擾，2004年歐洲發射火星登陸裝置時啟用了這套超導濾波器的射電天文接收系統。

美國STI公司是目前世界上唯一一家實現高溫超導濾波器批量生產和應用的公司，成立于1987年，建有完整的高溫超導濾波器系統生產線，包括超導薄膜制備、濾波器制作、制冷機生產、低溫電路生產、整機系統集成等，已投入研發經費約2億美元，擁有百余項專利技術。其超導濾波器從1997年開始正式進入移動通信商業網，目前大約有6000臺在實際的應用之中。

國內高溫超導濾波器研究現狀

近年來，我國在高溫超導濾波器研究和應用方面取得了重大進展和突破，完成了多種規格的超導濾波器樣機設計制作和實際應用測試，并在研究工作不斷推進的同時，建立了專業的產業化公司。

在超導濾波器研究方面，研究單位包括多家高等院校、科研機構和產業化公司。針對移動通信領域，已經完成了包括GSM、CDMA、WCDMA等多種標準的超導濾波器系統的設計制作，其中清華大學在北京、海泰超導公司在天津分別成功進行了超導濾波器在CDMA基站的實際并網運行和測試。針對其他應用領域，包括中科院物理所、電子科大、中電16所等單位分別進行了風溫廓線雷達、衛星微波接收機、X波段超導高性能接收機前端系統、超導信道化組件、超導微波線性調頻濾波器等方面的研究，并取得了很好的結果。另外，在大功率、線性相位、極窄帶寬、低頻率超導濾波器的研究方面，國內也取得了很大的進展。

在超導濾波器產業化方面，天津海泰超導公司是2002年國內成立的首家從事超導濾波器產業化的企業，建成了國內第一條超導濾波器系統生產線，在濾波器設計、超導精細加工、靜態真空獲得、系統集成等方面建立了多項自主知識產權的技術，獲得數十項國家專利，是目前國內唯一一家同時具備超導材料制備、超導濾波器設計、批量生產制造、濾波器并網運行測試能力的企業單位。2006年，綜藝超導公司在北京成立，2007年，美國STI在吉林成立合資公司，積極推動超導濾波器的規模化商業應用。

高溫超導濾波器應用前景分析

依超導濾波器的自身特點和我國的實際研究情況來講，超導濾波器的優異性能已得到普遍認可，但要實現大規模應用，還需解決一定的問題。

第一是價格問題，由于必須配備制冷機和真空室使系統成本較高，特別是目前國內尚無合適的制冷機供選擇，限制了降低成本的空間，制約了其大量的應用。據國外調查，如果超導濾波器的售價從目前約2萬美元降低到1萬美元，就會被運營商普遍接受。據了解，如果有數千臺超導濾波器的需求，包括制冷機、超導基片、低溫器件、真空室等部件的成本都會成倍下降。形成批量后的超導濾波器性價比將具有很強的市場競爭力。

第二是可靠性問題，因超導濾波器系統必須配備制冷機和真空室，故障點增加，其可靠性比不上傳統的濾波器，但隨著制冷、真空技術的發展，濾波器系統的可靠性得到了很大的提升，目前STI公司92％的超導濾波器可以保證7年以上的無故障運行，從基站整機系統來看，其可靠性滿足了移動通信市場的要求。

第三是體積問題，同樣是外圍部件的增加使其整體體積變大。隨著制冷技術的發展和超導濾波器集成度的提高，體積也會逐漸變小。且一個基站只需一臺多通道的超導濾波器系統，與多個單通道的傳統濾波器體積相比，超導濾波器的體積并沒有大到不可接受的地步，因此，相較于系統性能的提高，體積略大應該不會成為制約超導濾波器在移動通信中應用的關鍵障礙，但提高集成度、減小體積仍是超導濾波器發展的不變目標和趨勢。

截至2007年6月，中國移動電話用戶已超過4.87億，是全球移動電話用戶最多的國家。中國移動和聯通所建基站已超過30萬個，中國3G網絡建設估計還需30萬個基站。若有20％的新建基站應用超導濾波器，加上原有基站優化，將會產生百億級的巨大市場。結語

“十五”期間，科技部根據國際發展狀況和我國研究基礎設立了863計劃超導技術專項，將高溫超導電纜、高溫超導限流器、高溫超導濾波器三個具有重大應用前景的產品作為突破口，來開展相關的研究工作。鑒于我國移動通信的高速發展和在超導濾波器研究方面已有的基礎，相信經過“十一五”的努力，超導濾波器技術將有一個新的飛躍，并將在移動通信、軍事裝備等領域獲得廣泛的、較大規模的商業應用。