高溫超導濾波器系統(tǒng)及其應用

在實際應用中，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(tǒng)噪聲的改善可直接反映出來，無論設備的外界無線環(huán)境狀況 如何；通過抑制干擾信號提升設備性能則取決于實際的干擾狀態(tài)，干擾越嚴重，超導濾波器的優(yōu)勢越明顯，若無干擾信號，超導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)外針對超導濾波器在移動通信系統(tǒng)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(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：超導濾波器的應用，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)等不適宜建設基站的場所，可通過在臨近基站應用超導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)建設基站的問題也是一種很好的解決方法。

高溫超導濾波器的研究現(xiàn)狀

針對移動通信、雷達、衛(wèi)星通信、導航、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、不同用途的超導濾波器。

在移動通信領(lǐng)域，歐盟于1996年提出了高溫超導濾波器移動通信系統(tǒng)(SUCOM)研究計劃，設計滿足第三代移動通信標準WCDMA需求的超 導濾波器系統(tǒng)。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(qū)TDMA移動通信系統(tǒng)試驗表明，超導濾波器使高峰期內(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(tǒng)中應用實驗，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年設計了數(shù)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)展的重要動力。在空間應用方面，美國海軍牽頭進行了高溫超導空間實驗計劃(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。在雷達和制導方面，美國STI公司研制了包含32個超 導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，在機載預警雷達中發(fā)揮了重要作用；美國Conductus公司研制的超導數(shù)字瞬時測頻接收機系統(tǒng)專門用于空軍ALR-74和 海軍AN/WLR-11預警接收機的雷達系統(tǒng)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行監(jiān)測。在射電天文方面，荷蘭為解決俄羅斯導航衛(wèi)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(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 啟用了這套超導濾波器的射電天文接收系統(tǒng)。

美國STI公司是目前世界上唯一一家實現(xiàn)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(tǒng)生產(chǎn)線，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(tǒng)集成等，已投入研發(fā)經(jīng)費約2億美元，擁有百余項專利技術(shù)。其超導濾波器從1997年開始正 式進入移動通信商業(yè)網(wǎng)，目前大約有6000臺在實際的應用之中。

國內(nèi)高溫超導濾波器研究現(xiàn)狀

近年來，我國在高溫超導濾波器研究和應用方面取得了重大進展和突破，完成了多種規(guī)格的超導濾波器樣機設計制作和實際應用測試，并在研究工作不斷推進的同時，建立了專業(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(gòu)和產(chǎn)業(yè)化公司。針對移動通信領(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(tǒng)的設計制作，其中清華大學在北京、海泰超導公司在天津分別成功進行了超導濾波器在CDMA基站的實際并網(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所等單位分別進行了風溫廓線雷達、衛(wèi)星微波接收機、X波段超導高性能接收機前端系統(tǒng)、超導信道化組件、超導 微波線性調(diào)頻濾波器等方面的研究，并取得了很好的結(jié)果。另外，在大功率、線性相位、極窄帶寬、低頻率超導濾波器的研究方面，國內(nèi)也取得了很大的進展。

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(nèi)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(nèi)第一條超導濾波器系統(tǒng)生產(chǎn)線， 在濾波器設計、超導精細加工、靜態(tài)真空獲得、系統(tǒng)集成等方面建立了多項自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，獲得數(shù)十項國家專利，是目前國內(nèi)唯一一家同時具備超導材料制 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，積極推動超導濾波器的規(guī)?；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和我國的實際研究情況來講，超導濾波器的優(yōu)異性能已得到普遍認可，但要實現(xiàn)大規(guī)模應用，還需解決一定的問題。

第一是價格問題，由于必須配備制冷機和真空室使系統(tǒng)成本較高，特別是目前國內(nèi)尚無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(jù)國外調(diào)查，如果超導濾波器的售價從目前約2萬美元降低到1萬美元，就會被運營商普遍接受。據(jù)了解，如果有數(shù)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成倍下降。形成批量后的超導濾波器性價比將具有很強的市場競爭力。

第二是可靠性問題，因超導濾波器系統(tǒng)必須配備制冷機和真空室，故障點增加，其可靠性比不上傳統(tǒng)的濾波器，但隨著制冷、真空技術(shù)的發(fā)展，濾波 器系統(tǒng)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年以上的無故障運行，從基站整機系統(tǒng)來看，其可靠性滿足了移動通信市場的要 求。

第三是體積問題，同樣是外圍部件的增加使其整體體積變大。隨著制冷技術(shù)的發(fā)展和超導濾波器集成度的提高，體積也會逐漸變小。且一個基站只需一 臺多通道的超導濾波器系統(tǒng)，與多個單通道的傳統(tǒng)濾波器體積相比，超導濾波器的體積并沒有大到不可接受的地步，因此，相較于系統(tǒng)性能的提高，體積略大應該不 會成為制約超導濾波器在移動通信中應用的關(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，中國移動電話用戶已超過4.87億，是全球移動電話用戶最多的國家。中國移動和聯(lián)通所建基站已超過30萬個，中國3G網(wǎng)絡建設估計還需30萬個基站。若有20%的新建基站應用超導濾波器，加上原有基站優(yōu)化，將會產(chǎn)生百億級的巨大市場。

結(jié)語

“十五”期間，科技部根據(jù)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)專項，將高溫超導電纜、高溫超導限流器、高溫超導濾波器三個具 有重大應用前景的產(chǎn)品作為突破口，來開展相關(guān)的研究工作。鑒于我國移動通信的高速發(fā)展和在超導濾波器研究方面已有的基礎，相信經(jīng)過“十一五”的努力，超導 濾波器技術(shù)將有一個新的飛躍，并將在移動通信、軍事裝備等領(lǐng)域獲得廣泛的、較大規(guī)模的商業(yè)應用。