三分鐘看懂高溫超導(dǎo)濾波器構(gòu)成

高溫超導(dǎo)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(jié)構(gòu)較復(fù)雜。主要包括高溫超導(dǎo)濾波放大電路、深度制冷系統(tǒng)、精確控制系統(tǒng)、真空絕熱系統(tǒng)四部分，如圖1所示。

其中高溫超導(dǎo)濾波放大電路是系統(tǒng)的核心部分，包括高溫超導(dǎo)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(dǎo)薄膜材料制作，工作溫度在液氮溫區(qū)（77K），為降低系統(tǒng)的噪聲，將低噪聲放大器也放置于低溫區(qū)。 深度制冷系統(tǒng)為高溫超導(dǎo)濾波器提供實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)特性的低溫工作環(huán)境，一般常用斯特林制冷機(jī)或脈沖管制冷機(jī)，是系統(tǒng)的另一關(guān)鍵部件。

真空絕熱系統(tǒng)是將工作于液氮溫區(qū)的超導(dǎo)濾波放大電路與外界的室溫環(huán)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(jī)的狀態(tài)，影響超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

精確控制系統(tǒng)是實(shí)時(shí)測(cè)試高溫超導(dǎo)濾波放大電路的實(shí)際工作溫度，隨時(shí)對(duì)制冷系統(tǒng)發(fā)出指令，保持冷區(qū)溫度恒定，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警。

高溫超導(dǎo)濾波器的優(yōu)勢(shì)

高溫超導(dǎo)濾波器與傳統(tǒng)濾波器相比，具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，選擇國(guó)外制作的優(yōu)良常規(guī)濾波器和天津海泰超導(dǎo)公司制作的超導(dǎo)濾波器進(jìn)行比較，如圖2所示，

可看出超導(dǎo)濾波器的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩個(gè)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(dǎo)濾波器系統(tǒng)的噪聲系數(shù)大約在0．7dB左右，與傳統(tǒng)的2～3dB的系統(tǒng)噪聲系數(shù)相比改善不少。

（2）優(yōu)異的帶邊陡度特性，超導(dǎo)濾波器可以制作出接近矩形的頻率響應(yīng)曲線，若應(yīng)用于存在鄰頻干擾的環(huán)境中，可充分發(fā)揮超導(dǎo)濾波器的優(yōu)勢(shì)，如圖2中所示，常規(guī)濾波器對(duì)干擾信號(hào)的抑制非常有限，而超導(dǎo)濾波器則可以將干擾信號(hào)完全抑制掉。

在實(shí)際應(yīng)用中，超導(dǎo)濾波器對(duì)設(shè)備性能的提升程度也由這兩方面直接決定，超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)噪聲的改善可直接反映出來(lái)，無(wú)論設(shè)備的外界無(wú)線環(huán)境狀況如何；通過抑制干擾信號(hào)提升設(shè)備性能則取決于實(shí)際的干擾狀態(tài)，干擾越嚴(yán)重，超導(dǎo)濾波器的優(yōu)勢(shì)越明顯，若無(wú)干擾信號(hào)，超導(dǎo)濾波器的帶邊陡度優(yōu)勢(shì)就難以體現(xiàn)。國(guó)外曾做過試驗(yàn)，無(wú)干擾時(shí)，系統(tǒng)改善只有1～2dB，對(duì)于強(qiáng)干擾環(huán)境，超導(dǎo)濾波器可將系統(tǒng)改善十多dB，甚至達(dá)數(shù)十dB。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)超導(dǎo)濾波器在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用做了大量工作，在基站安裝超導(dǎo)濾波器后，可有效降低接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，優(yōu)勢(shì)如下：

（1）降低手機(jī)發(fā)射功率：超導(dǎo)濾波器可降低基站接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，提高基站接收靈敏度，降低手機(jī)發(fā)射功率，減小手機(jī)輻射對(duì)人體的危害，延長(zhǎng)手機(jī)電池使用時(shí)間。

（2）擴(kuò)大基站覆蓋范圍，節(jié)省建設(shè)投資：系統(tǒng)接收靈敏度的提高，可擴(kuò)大基站覆蓋范圍，減少基站數(shù)量，在系統(tǒng)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(zhì)量，提升基站容量：超導(dǎo)濾波器的應(yīng)用，可全面提升通話質(zhì)量，降低手機(jī)掉話率，提高接通率，提升數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)使基站能容納更多的用戶。

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

（5）為一些特殊場(chǎng)所提供有效的解決方案：在一些文物保護(hù)單位、旅游景區(qū)等不適宜建設(shè)基站的場(chǎng)所，可通過在臨近基站應(yīng)用超導(dǎo)濾波器增加覆蓋解決，另外，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)于抵觸在居民區(qū)建設(shè)基站的問題也是一種很好的解決方法。高溫超導(dǎo)濾波器的研究現(xiàn)狀 針對(duì)移動(dòng)通信、雷達(dá)、衛(wèi)星通信、導(dǎo)航、電子對(duì)抗、天文觀測(cè)、數(shù)字電視和其他系統(tǒng)的要求，美、中、英、日等國(guó)已經(jīng)研制出的多種類型、不同用途的超導(dǎo)濾波器。

在移動(dòng)通信領(lǐng)域，歐盟于1996年提出了高溫超導(dǎo)濾波器移動(dòng)通信系統(tǒng)（SUCOM）研究計(jì)劃，設(shè)計(jì)滿足第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)WCDMA需求的超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)。美國(guó)在2000年前完成了超導(dǎo)濾波器在基站中的并網(wǎng)運(yùn)行試驗(yàn)，對(duì)市區(qū)TDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)試驗(yàn)表明，超導(dǎo)濾波器使高峰期內(nèi)基站容量增加80％；在強(qiáng)射頻干擾CDMA基站時(shí)，超導(dǎo)濾波器仍能大幅增加基站覆蓋面積；Coiaductus公司與日本KDD和Hitachi公司完成了超導(dǎo)濾波器在3G系統(tǒng)中應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，證明在覆蓋、容量、誤碼率、抗干擾和手機(jī)功率等方面有大幅改善。日本Toshiba公司于2004年設(shè)計(jì)了數(shù)字地面電視中繼站用高溫超導(dǎo)濾波器，并成功在日本廣播公司的設(shè)備中進(jìn)行了試驗(yàn)。

軍事裝備領(lǐng)域一直是超導(dǎo)濾波器發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。在空間應(yīng)用方面，美國(guó)海軍牽頭進(jìn)行了高溫超導(dǎo)空間實(shí)驗(yàn)計(jì)劃（HTSSE），并于2000年完成前二階段試驗(yàn)；美國(guó)宇航局將低溫接收機(jī)前端列為實(shí)現(xiàn)21世紀(jì)戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，用于空間數(shù)據(jù)傳輸。在雷達(dá)和制導(dǎo)方面，美國(guó)STI公司研制了包含32個(gè)超導(dǎo)帶阻濾波器的濾波器組，可實(shí)現(xiàn)從8．5GHz到10．5GHz的快捷跳變，在機(jī)載預(yù)警雷達(dá)中發(fā)揮了重要作用；美國(guó)Conductus公司研制的超導(dǎo)數(shù)字瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)系統(tǒng)專門用于空軍ALR一74和海軍AN／WLR一11預(yù)警接收機(jī)的雷達(dá)系統(tǒng)上；美國(guó)海軍試驗(yàn)研究所正將超導(dǎo)濾波器和低溫低噪聲放大器用于艦載多普勒雷達(dá)中，提升在海洋雜波群中識(shí)別小目標(biāo)的能力，對(duì)掠海面突防導(dǎo)彈進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在射電天文方面，荷蘭為解決俄羅斯導(dǎo)航衛(wèi)星對(duì)Westerbork射電天文望遠(yuǎn)鏡的嚴(yán)重干擾，研制了超導(dǎo)帶阻濾波器；英國(guó)伯明翰大學(xué)研制的用于射電天文接收機(jī)的超導(dǎo)濾波器有效控制了常規(guī)濾波器無(wú)法消除的觀測(cè)窗口兩側(cè)的電視信號(hào)干擾，2004年歐洲發(fā)射火星登陸裝置時(shí)啟用了這套超導(dǎo)濾波器的射電天文接收系統(tǒng)。