三分鐘看懂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、精確控制系統、真空絕熱系統四部分，如圖1所示。

其中高溫超導濾波放大電路是系統的核心部分，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（77K），為降低系統的噪聲，將低噪聲放大器也放置于低溫區。 深度制冷系統為高溫超導濾波器提供實現超導特性的低溫工作環境，一般常用斯特林制冷機或脈沖管制冷機，是系統的另一關鍵部件。

真空絕熱系統是將工作于液氮溫區的超導濾波放大電路與外界的室溫環境隔開，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，影響超導濾波器系統的工作穩定性。

精確控制系統是實時測試高溫超導濾波放大電路的實際工作溫度，隨時對制冷系統發出指令，保持冷區溫度恒定，同時對系統的相關參數進行監控和預警。

高溫超導濾波器的優勢

高溫超導濾波器與傳統濾波器相比，具有明顯的性能優勢，選擇國外制作的優良常規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勢主要體現在兩個方面：

（1）極低的插損（小于0．2dB），再配合低溫低噪聲放大器，超導濾波器系統的噪聲系數大約在0．7dB左右，與傳統的2～3dB的系統噪聲系數相比改善不少。

（2）優異的帶邊陡度特性，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境中，可充分發揮超導濾波器的優勢，如圖2中所示，常規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。

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，超導濾波器系統噪聲的改善可直接反映出來，無論設備的外界無線環境狀況如何；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，干擾越嚴重，超導濾波器的優勢越明顯，若無干擾信號，超導濾波器的帶邊陡度優勢就難以體現。國外曾做過試驗，無干擾時，系統改善只有1～2dB，對于強干擾環境，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，優勢如下：

（1）降低手機發射功率：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）提高通話質量，提升基站容量：超導濾波器的應用，可全面提升通話質量，降低手機掉話率，提高接通率，提升數據傳輸速率，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，隨著人們環保意識的增強，對于抵觸在居民區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狀 針對移動通信、雷達、衛星通信、導航、電子對抗、天文觀測、數字電視和其他系統的要求，美、中、英、日等國已經研制出的多種類型、不同用途的超導濾波器。

在移動通信領域，歐盟于1996年提出了高溫超導濾波器移動通信系統（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。美國在2000年前完成了超導濾波器在基站中的并網運行試驗，對市區TDMA移動通信系統試驗表明，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，超導濾波器仍能大幅增加基站覆蓋面積；Coiaductus公司與日本KDD和Hitachi公司完成了超導濾波器在3G系統中應用實驗，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。

軍事裝備領域一直是超導濾波器發展的重要動力。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21世紀戰略目標的關鍵技術，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個超導帶阻濾波器的濾波器組，可實現從8．5GHz到10．5GHz的快捷跳變，在機載預警雷達中發揮了重要作用；美國Conductus公司研制的超導數字瞬時測頻接收機系統專門用于空軍ALR一74和海軍AN／WLR一11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法消除的觀測窗口兩側的電視信號干擾，2004年歐洲發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。