高溫超導濾波器系統及其應用

在實(shí)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(lái)，無(wú)論設備的外界無(wú)線(xiàn)環(huán)境狀況 如何；通過(guò)抑制干擾信號提升設備性能則取決于實(shí)際的干擾狀態(tài)，干擾越嚴重，超導濾波器的優(yōu)勢越明顯，若無(wú)干擾信號，超導濾波器的帶邊陡度優(yōu)勢就難以體現。 國外曾做過(guò)試驗，無(wú)干擾時(shí)，系統改善只有1～2dB，對于強干擾環(huán)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(dòng)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(yōu)勢如下：

(1)降低手機發(fā)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(fā)射功率，減小手機輻射對人體的危害，延長(cháng)手機電池使用時(shí)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(huà)質(zhì)量，提升基站容量：超導濾波器的應用，可全面提升通話(huà)質(zhì)量，降低手機掉話(huà)率，提高接通率，提升數據傳輸速率，同時(shí)使基站能容納更多的用戶(hù)。

(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(diǎn)，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(chǎng)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(chǎng)所，可通過(guò)在臨近基站應用超導濾波器增加覆蓋解決，另外，隨著(zhù)人們環(huán)保意識的增強，對于抵觸在居民區建設基站的問(wèn)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(dòng)通信、雷達、衛星通信、導航、電子對抗、天文觀(guān)測、數字電視和其他系統的要求，美、中、英、日等國已經(jīng)研制出的多種類(lèi)型、不同用途的超導濾波器。

在移動(dòng)通信領(lǐng)域，歐盟于1996年提出了高溫超導濾波器移動(dòng)通信系統(SUCOM)研究計劃，設計滿(mǎn)足第三代移動(dòng)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(wǎng)運行試驗，對市區TDMA移動(dòng)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(shí)，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(shí)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(jìn)行了試驗。

軍事裝備領(lǐng)域一直是超導濾波器發(fā)展的重要動(dòng)力。在空間應用方面，美國海軍牽頭進(jìn)行了高溫超導空間實(shí)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(shí)現21世紀戰略目標的關(guān)鍵技術(shù)，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(gè)超 導帶阻濾波器的濾波器組，可實(shí)現從8.5GHz 到10.5GHz的快捷跳變，在機載預警雷達中發(fā)揮了重要作用；美國Conductus公司研制的超導數字瞬時(shí)測頻接收機系統專(zhuān)門(mén)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(jìn)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(xué)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(wú)法消除的觀(guān)測窗口兩側的電視信號干擾，2004年歐洲發(fā)射火星登陸裝置時(shí) 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(shí)現高溫超導濾波器批量生產(chǎn)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(chǎn)線(xiàn)，包括 超導薄膜制備、濾波器制作、制冷機生產(chǎn)、低溫電路生產(chǎn)、整機系統集成等，已投入研發(fā)經(jīng)費約2億美元，擁有百余項專(zhuān)利技術(shù)。其超導濾波器從1997年開(kāi)始正 式進(jìn)入移動(dòng)通信商業(yè)網(wǎng)，目前大約有6000臺在實(shí)際的應用之中。

國內高溫超導濾波器研究現狀

近年來(lái)，我國在高溫超導濾波器研究和應用方面取得了重大進(jìn)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(shí)際應用測試，并在研究工作不斷推進(jìn)的同時(shí)，建立了專(zhuān)業(yè)的產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)化公司。針對移動(dòng)通信領(lǐng)域，已經(jīng)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(xué)在北京、海泰超導公司在天津分別成功進(jìn)行了超導濾波器在CDMA基站的實(shí)際并網(wǎng)運行和測試。針對其他應 用領(lǐng)域，包括中科院物理所、電子科大、中電16所等單位分別進(jìn)行了風(fēng)溫廓線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(jìn)展。

在超導濾波器產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)化的企業(yè)，建成了國內第一條超導濾波器系統生產(chǎn)線(xiàn)， 在濾波器設計、超導精細加工、靜態(tài)真空獲得、系統集成等方面建立了多項自主知識產(chǎn)權的技術(shù)，獲得數十項國家專(zhuān)利，是目前國內唯一一家同時(shí)具備超導材料制 備、超導濾波器設計、批量生產(chǎn)制造、濾波器并網(wǎng)運行測試能力的企業(yè)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(dòng)超導濾波器的規?；虡I(yè)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(diǎn)和我國的實(shí)際研究情況來(lái)講，超導濾波器的優(yōu)異性能已得到普遍認可，但要實(shí)現大規模應用，還需解決一定的問(wèn)題。

第一是價(jià)格問(wèn)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(wú)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(jià)從目前約2萬(wàn)美元降低到1萬(wàn)美元，就會(huì )被運營(yíng)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(huì )成倍下降。形成批量后的超導濾波器性?xún)r(jià)比將具有很強的市場(chǎng)競爭力。

第二是可靠性問(wèn)題，因超導濾波器系統必須配備制冷機和真空室，故障點(diǎn)增加，其可靠性比不上傳統的濾波器，但隨著(zhù)制冷、真空技術(shù)的發(fā)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(wú)故障運行，從基站整機系統來(lái)看，其可靠性滿(mǎn)足了移動(dòng)通信市場(chǎng)的要 求。

第三是體積問(wèn)題，同樣是外圍部件的增加使其整體體積變大。隨著(zhù)制冷技術(shù)的發(fā)展和超導濾波器集成度的提高，體積也會(huì )逐漸變小。且一個(gè)基站只需一 臺多通道的超導濾波器系統，與多個(gè)單通道的傳統濾波器體積相比，超導濾波器的體積并沒(méi)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(huì )成為制約超導濾波器在移動(dòng)通信中應用的關(guān)鍵障礙，但提高集成度、減小體積仍是超導濾波器發(fā)展的不變目標和趨勢。

截至2007年6月，中國移動(dòng)電話(huà)用戶(hù)已超過(guò)4.87億，是全球移動(dòng)電話(huà)用戶(hù)最多的國家。中國移動(dòng)和聯(lián)通所建基站已超過(guò)30萬(wàn)個(gè)，中國3G網(wǎng)絡(luò )建設估計還需30萬(wàn)個(gè)基站。若有20%的新建基站應用超導濾波器，加上原有基站優(yōu)化，將會(huì )產(chǎn)生百億級的巨大市場(chǎng)。

結語(yǔ)

“十五”期間，科技部根據國際發(fā)展狀況和我國研究基礎設立了863計劃超導技術(shù)專(zhuān)項，將高溫超導電纜、高溫超導限流器、高溫超導濾波器三個(gè)具 有重大應用前景的產(chǎn)品作為突破口，來(lái)開(kāi)展相關(guān)的研究工作。鑒于我國移動(dòng)通信的高速發(fā)展和在超導濾波器研究方面已有的基礎，相信經(jīng)過(guò)“十一五”的努力，超導 濾波器技術(shù)將有一個(gè)新的飛躍，并將在移動(dòng)通信、軍事裝備等領(lǐng)域獲得廣泛的、較大規模的商業(yè)應用。