高温超导滤波器系统及其应用
作者： 季来运 海泰超导通讯科技(天津)有限公司
前言
滤波器是电子、通信系统中的关键器件，作用是对电信号进行提取、分离或抑制。随着使用频段的不断扩展，设备间的干扰也日趋严重，因此滤波器不但要确保产品本身正常工作，而且要减少相互影响、维持正常的无线工作环境。常规滤波器由于金属电阻会产生一定衰耗，不可能达到理想的滤波性能。高温超导技术的发展，为开发高性能滤波器提供了一种切实有效的方法。目前，高温超导技术在通信、雷达与射电天文等领域取得重大突破，美国已将高温超导滤波器推向市场，并成功实现了批量应用。
在移动通信频段，高温超导材料的电阻比金属小3个数量级左右，制作的微带器件具有很高的品质因数，高温超导滤波器具有损耗极小、边带极陡峭、带外抑制极好的特点。对传统滤波器，由于金属有损耗，要减小插损，只能减少滤波器阶数，边带不可能陡峭；要提高滤波器陡峭度，必须增加阶数，势必会增大插损，很难同时兼顾这一对矛盾量。而高温超导滤波器是目前可以同时解决损耗和陡度的唯一有效方案，具有十分理想的滤波性能。在窄带宽、高阶数滤波器中优势非常明显。1995年，美国的Zhang等研制成19阶契比雪夫高温超导滤波器。2001年，日本的Ueno等研制成32阶契比雪夫滤波器，其性能远非常规滤波器可比。1998年，英国的洪嘉生等首先采用准椭圆函数设计，在通带附近设置一对或多对零点。2003年，日本的Tsuzuki等制作了22阶5对传输零点的高陡度超导滤波器，技术指标达到了崭新高度。
高温超导滤波器构成
高温超导滤波器由于工作温度低，需要深度制冷，因此外围部件较多，结构较复杂。主要包括高温超导滤波放大电路、深度制冷系统、精确控制系统、真空绝热系统四部分，如图1所示。
图1 高温超导滤波器系统结构框架图
其中高温超导滤波放大电路是系统的核心部分，包括高温超导滤波器(HTS Filter)和低温低噪声放大器(LNA)，滤波器微带电路由高温超导薄膜材料制作，工作温度在液氮温区(77K)，为降低系统的噪声，将低噪声放大器也放置于低温区。
深度制冷系统为高温超导滤波器提供实现超导特性的低温工作环境，一般常用斯特林制冷机或脉冲管制冷机，是系统的另一关键部件。
真空绝热系统是将工作于液氮温区的超导滤波放大电路与外界的室温环境隔开，尽可能降低两者间的热量传递，真空度的保持状况将直接影响制冷机的状态，影响超导滤波器系统的工作稳定性。
精确控制系统是实时测试高温超导滤波放大电路的实际工作温度，随时对制冷系统发出指令，保持冷区温度恒定，同时对系统的相关参数进行监控和预警。
高温超导滤波器的优势
高温超导滤波器与传统滤波器相比，具有明显的性能优势，选择国外制作的优良常规滤波器和天津海泰超导公司制作的超导滤波器进行比较，如图2所示，可看出超导滤波器的优势主要体现在两个方面：(1)极低的插损(小于0.2dB)，再配合低温低噪声放大器，超导滤波器系统的噪声系数大约在0.7dB左右，与传统的2~3dB的系统噪声系数相比改善不少。(2)优异的带边陡度特性，超导滤波器可以制作出接近矩形的频率响应曲线，若应用于存在邻频干扰的环境中，可充分发挥超导滤波器的优势，如图2中所示，常规滤波器对干扰信号的抑制非常有限，而超导滤波器则可以将干扰信号完全抑制掉。
图2 超导滤波器与常规滤波器的性能比较图
在实际应用中，超导滤波器对设备性能的提升程度也由这两方面直接决定，超导滤波器系统噪声的改善可直接反映出来，无论设备的外界无线环境状况如何；通过抑制干扰信号提升设备性能则取决于实际的干扰状态，干扰越严重，超导滤波器的优势越明显，若无干扰信号，超导滤波器的带边陡度优势就难以体现。国外曾做过试验，无干扰时，系统改善只有1～2dB，对于强干扰环境，超导滤波器可将系统改善十多dB，甚至达数十dB。
目前，国内外针对超导滤波器在移动通信系统中的应用做了大量工作，在基站安装超导滤波器后，可有效降低接收系统的噪声系数，提高系统的抗干扰能力，优势如下：
(1)降低手机发射功率：超导滤波器可降低基站接收系统的噪声系数，提高基站接收灵敏度，降低手机发射功率，减小手机辐射对人体的危害，延长手机电池使用时间。
(2)扩大基站覆盖范围，节省建设投资：系统接收灵敏度的提高，可扩大基站覆盖范围，减少基站数量，在系统噪声改善3dB的情况下，基站覆盖距离可增大20%，覆盖面积增大40%。
(3)提高通话质量，提升基站容量：超导滤波器的应用，可全面提升通话质量，降低手机掉话率，提高接通率，提升数据传输速率，同时使基站能容纳更多的用户。
(4)充分利用频率资源：超导滤波器特有的边带陡峭、带外抑制好的特点，在不增加其他设备情况下，可以减少信道间防护频带(Guard Band)宽度，增加可用的频带带宽。
(5)为一些特殊场所提供有效的解决方案：在一些文物保护单位、旅游景区等不适宜建设基站的场所，可通过在临近基站应用超导滤波器增加覆盖解决，另外，随着人们环保意识的增强，对于抵触在居民区建设基站的问题也是一种很好的解决方法。
高温超导滤波器的研究现状
针对移动通信、雷达、卫星通信、导航、电子对抗、天文观测、数字电视和其他系统的要求，美、中、英、日等国已经研制出的多种类型、不同用途的超导滤波器。
在移动通信领域，欧盟于1996年提出了高温超导滤波器移动通信系统(SUCOM)研究计划，设计满足第三代移动通信标准WCDMA需求的超导滤波器系统。美国在2000年前完成了超导滤波器在基站中的并网运行试验，对市区TDMA移动通信系统试验表明，超导滤波器使高峰期内基站容量增加80%；在强射频干扰CDMA基站时，超导滤波器仍能大幅增加基站覆盖面积；Conductus公司与日本KDD和Hitachi公司完成了超导滤波器在3G系统中应用实验，证明在覆盖、容量、误码率、抗干扰和手机功率等方面有大幅改善。日本Toshiba公司于2004年设计了数字地面电视中继站用高温超导滤波器，并成功在日本广播公司的设备中进行了试验。
军事装备领域一直是超导滤波器发展的重要动力。在空间应用方面，美国海军牵头进行了高温超导空间实验计划(HTSSE)，并于2000年完成前二阶段试验；美国宇航局将低温接收机前端列为实现21世纪战略目标的关键技术，用于空间数据传输。在雷达和制导方面，美国STI公司研制了包含32个超导带阻滤波器的滤波器组，可实现从8.5GHz 到10.5GHz的快捷跳变，在机载预警雷达中发挥了重要作用；美国Conductus公司研制的超导数字瞬时测频接收机系统专门用于空军ALR-74和海军AN/WLR-11预警接收机的雷达系统上；美国海军试验研究所正将超导滤波器和低温低噪声放大器用于舰载多普勒雷达中，提升在海洋杂波群中识别小目标的能力，对掠海面突防导弹进行监测。在射电天文方面，荷兰为解决俄罗斯导航卫星对Westerbork射电天文望远镜的严重干扰，研制了超导带阻滤波器；英国伯明翰大学研制的用于射电天文接收机的超导滤波器有效控制了常规滤波器无法消除的观测窗口两侧的电视信号干扰，2004年欧洲发射火星登陆装置时启用了这套超导滤波器的射电天文接收系统。
美国STI公司是目前世界上唯一一家实现高温超导滤波器批量生产和应用的公司，成立于1987年，建有完整的高温超导滤波器系统生产线，包括超导薄膜制备、滤波器制作、制冷机生产、低温电路生产、整机系统集成等，已投入研发经费约2亿美元，拥有百余项专利技术。其超导滤波器从1997年开始正式进入移动通信商业网，目前大约有6000台在实际的应用之中。
国内高温超导滤波器研究现状
近年来，我国在高温超导滤波器研究和应用方面取得了重大进展和突破，完成了多种规格的超导滤波器样机设计制作和实际应用测试，并在研究工作不断推进的同时，建立了专业的产业化公司。
在超导滤波器研究方面，研究单位包括多家高等院校、科研机构和产业化公司。针对移动通信领域，已经完成了包括GSM、CDMA、WCDMA等多种标准的超导滤波器系统的设计制作，其中清华大学在北京、海泰超导公司在天津分别成功进行了超导滤波器在CDMA基站的实际并网运行和测试。针对其他应用领域，包括中科院物理所、电子科大、中电16所等单位分别进行了风温廓线雷达、卫星微波接收机、X波段超导高性能接收机前端系统、超导信道化组件、超导微波线性调频滤波器等方面的研究，并取得了很好的结果。另外，在大功率、线性相位、极窄带宽、低频率超导滤波器的研究方面，国内也取得了很大的进展。
在超导滤波器产业化方面，天津海泰超导公司是2002年国内成立的首家从事超导滤波器产业化的企业，建成了国内第一条超导滤波器系统生产线，在滤波器设计、超导精细加工、静态真空获得、系统集成等方面建立了多项自主知识产权的技术，获得数十项国家专利，是目前国内唯一一家同时具备超导材料制备、超导滤波器设计、批量生产制造、滤波器并网运行测试能力的企业单位。2006年，综艺超导公司在北京成立，2007年，美国STI在吉林成立合资公司，积极推动超导滤波器的规模化商业应用。
高温超导滤波器应用前景分析
依超导滤波器的自身特点和我国的实际研究情况来讲，超导滤波器的优异性能已得到普遍认可，但要实现大规模应用，还需解决一定的问题。
第一是价格问题，由于必须配备制冷机和真空室使系统成本较高，特别是目前国内尚无合适的制冷机供选择，限制了降低成本的空间，制约了其大量的应用。据国外调查，如果超导滤波器的售价从目前约2万美元降低到1万美元，就会被运营商普遍接受。据了解，如果有数千台超导滤波器的需求，包括制冷机、超导基片、低温器件、真空室等部件的成本都会成倍下降。形成批量后的超导滤波器性价比将具有很强的市场竞争力。
第二是可靠性问题，因超导滤波器系统必须配备制冷机和真空室，故障点增加，其可靠性比不上传统的滤波器，但随着制冷、真空技术的发展，滤波器系统的可靠性得到了很大的提升，目前STI公司92%的超导滤波器可以保证7年以上的无故障运行，从基站整机系统来看，其可靠性满足了移动通信市场的要求。
第三是体积问题，同样是外围部件的增加使其整体体积变大。随着制冷技术的发展和超导滤波器集成度的提高，体积也会逐渐变小。且一个基站只需一台多通道的超导滤波器系统，与多个单通道的传统滤波器体积相比，超导滤波器的体积并没有大到不可接受的地步，因此，相较于系统性能的提高，体积略大应该不会成为制约超导滤波器在移动通信中应用的关键障碍，但提高集成度、减小体积仍是超导滤波器发展的不变目标和趋势。
截至2007年6月，中国移动电话用户已超过4.87亿，是全球移动电话用户最多的国家。中国移动和联通所建基站已超过30万个，中国3G网络建设估计还需30万个基站。若有20%的新建基站应用超导滤波器，加上原有基站优化，将会产生百亿级的巨大市场。
结语
“十五”期间，科技部根据国际发展状况和我国研究基础设立了863计划超导技术专项，将高温超导电缆、高温超导限流器、高温超导滤波器三个具有重大应用前景的产品作为突破口，来开展相关的研究工作。鉴于我国移动通信的高速发展和在超导滤波器研究方面已有的基础，相信经过“十一五”的努力，超导滤波器技术将有一个新的飞跃，并将在移动通信、军事装备等领域获得广泛的、较大规模的商业应用。
一本正经
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