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或脈沖管制冷機，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)是實時測試高溫超導(dǎo)濾波放大電路的實際工作溫度，隨時對制冷系統(tǒng)發(fā)出指令，保持冷區(qū)溫度恒定，同時對系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進行監(jiān)控和預(yù)警。

高溫超導(dǎo)濾波器的優(yōu)勢

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，選擇國外制作的優(yōu)良常規(guī)濾波器和天津海泰超導(dǎo)公司制作的超導(dǎo)濾波器進行比較，如圖2所示，

可看出超導(dǎo)濾波器的優(yōu)勢主要體現(xiàn)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(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，如圖2中所示，常規(guī)濾波器對干擾信號的抑制非常有限，而超導(dǎo)濾波器則可以將干擾信號完全抑制掉。

在實際應(yīng)用中，超導(dǎo)濾波器對設(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，無論設(shè)備的外界無線環(huán)境狀況如何；通過抑制干擾信號提升設(shè)備性能則取決于實際的干擾狀態(tài)，干擾越嚴重，超導(dǎo)濾波器的優(yōu)勢越明顯，若無干擾信號，超導(dǎo)濾波器的帶邊陡度優(yōu)勢就難以體現(xiàn)。國外曾做過試驗，無干擾時，系統(tǒng)改善只有1～2dB，對于強干擾環(huán)境，超導(dǎo)濾波器可將系統(tǒng)改善十多dB，甚至達數(shù)十dB。

目前，國內(nèi)外針對超導(dǎo)濾波器在移動通信系統(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)勢如下：

（1）降低手機發(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，降低手機發(fā)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(jié)省建設(shè)投資：系統(tǒng)接收靈敏度的提高，可擴大基站覆蓋范圍，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，降低手機掉話率，提高接通率，提升數(shù)據(jù)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(dǎo)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(shè)備情況下，可以減少信道問防護頻帶（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(qū)等不適宜建設(shè)基站的場所，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)保意識的增強，對于抵觸在居民區(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 針對移動通信、雷達、衛(wèi)星通信、導(dǎo)航、電子對抗、天文觀測、數(shù)字電視和其他系統(tǒng)的要求，美、中、英、日等國已經(jīng)研制出的多種類型、不同用途的超導(dǎo)濾波器。

在移動通信領(lǐng)域，歐盟于1996年提出了高溫超導(dǎo)濾波器移動通信系統(tǒng)（SUCOM）研究計劃，設(shè)計滿足第三代移動通信標準WCDMA需求的超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)。美國在2000年前完成了超導(dǎo)濾波器在基站中的并網(wǎng)運行試驗，對市區(qū)TDMA移動通信系統(tǒng)試驗表明，超導(dǎo)濾波器使高峰期內(nèi)基站容量增加80％；在強射頻干擾CDMA基站時，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(shè)計了數(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)備中進行了試驗。

軍事裝備領(lǐng)域一直是超導(dǎo)濾波器發(fā)展的重要動力。在空間應(yīng)用方面，美國海軍牽頭進行了高溫超導(dǎo)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(xiàn)21世紀戰(zhàn)略目標的關(guān)鍵技術(shù)，用于空間數(shù)據(jù)傳輸。在雷達和制導(dǎo)方面，美國STI公司研制了包含32個超導(dǎo)帶阻濾波器的濾波器組，可實現(xiàn)從8．5GHz到10．5GHz的快捷跳變，在機載預(yù)警雷達中發(fā)揮了重要作用；美國Conductus公司研制的超導(dǎo)數(shù)字瞬時測頻接收機系統(tǒng)專門用于空軍ALR一74和海軍AN／WLR一11預(yù)警接收機的雷達系統(tǒng)上；美國海軍試驗研究所正將超導(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(dǎo)彈進行監(jiān)測。在射電天文方面，荷蘭為解決俄羅斯導(dǎo)航衛(wèi)星對Westerbork射電天文望遠鏡的嚴重干擾，研制了超導(dǎo)帶阻濾波器；英國伯明翰大學(xué)研制的用于射電天文接收機的超導(dǎo)濾波器有效控制了常規(guī)濾波器無法消除的觀測窗口兩側(cè)的電視信號干擾，2004年歐洲發(fā)射火星登陸裝置時啟用了這套超導(dǎo)濾波器的射電天文接收系統(tǒng)。