高溫超導濾波器系統(tǒng)及其應用

前言

濾波器是電子、通信系統(tǒng)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(chǎn)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(huán)境。常規(guī)濾波器由于金屬電阻會產(chǎn)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(fā)展，為開發(fā)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(xiàn)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(shù)量級左右，制作的微帶器件具有很高的品質因數(shù)，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(tǒng)濾波器，由于金屬有損耗，要減小插損，只能減少濾波器階數(shù)，邊帶不可能陡峭；要提高濾波器陡峭度，必須增加階數(shù)，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(shù)濾波器中優(yōu)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(guī) 濾波器可比。1998年，英國的洪嘉生等首先采用準橢圓函數(shù)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(tǒng)、精確控制系統(tǒng)、真空絕熱系統(tǒng)四部分，如圖1所示。

圖1 高溫超導濾波器系統(tǒng)結構框架圖

其中高溫超導濾波放大電路是系統(tǒng)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(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)為高溫超導濾波器提供實現(xiàn)超導特性的低溫工作環(huán)境，一般常用斯特林制冷機或脈沖管制冷機，是系統(tǒng)的另一關鍵部件。

真空絕熱系統(tǒng)是將工作于液氮溫區(qū)的超導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)的相關參數(shù)進行監(jiān)控和預警。

高溫超導濾波器的優(yōu)勢

高溫超導濾波器與傳統(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(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(huán)境中，可充分發(fā)揮超導濾波器的優(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，而超導濾波器則可以將干擾信號完全抑制掉。圖2 超導濾波器與常規(guī)濾波器的性能比較圖