高溫超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)及其應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，超導(dǎo)濾波器對(duì)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(hào)提升設(shè)備性能則取決于實(shí)際的干擾狀態(tài)，干擾越嚴(yán)重，超導(dǎo)濾波器的優(yōu)勢(shì)越明顯，若無干擾信號(hào)，超導(dǎo)濾波器的帶邊陡度優(yōu)勢(shì)就難以體現(xiàn)。 國(guó)外曾做過試驗(yàn)，無干擾時(shí)，系統(tǒng)改善只有1～2dB，對(duì)于強(qiáng)干擾環(huán)境，超導(dǎo)濾波器可將系統(tǒng)改善十多dB，甚至達(dá)數(shù)十dB。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)超導(dǎo)濾波器在移動(dòng)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(shì)如下：

(1)降低手機(jī)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(jī)發(fā)射功率，減小手機(jī)輻射對(duì)人體的危害，延長(zhǎng)手機(jī)電池使用時(shí)間。

(2)擴(kuò)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(kuò)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(jī)掉話率，提高接通率，提升數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)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(diǎn)，在不增加其他設(shè)備情況下，可以減少信道間防護(hù)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(hù)單位、旅游景區(qū)等不適宜建設(shè)基站的場(chǎng)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(shí)的增強(qiáng)，對(duì)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(duì)移動(dòng)通信、雷達(dá)、衛(wèi)星通信、導(dǎo)航、電子對(duì)抗、天文觀測(cè)、數(shù)字電視和其他系統(tǒng)的要求，美、中、英、日等國(guó)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(dòng)通信領(lǐng)域，歐盟于1996年提出了高溫超導(dǎo)濾波器移動(dòng)通信系統(tǒng)(SUCOM)研究計(jì)劃，設(shè)計(jì)滿足第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)WCDMA需求的超 導(dǎo)濾波器系統(tǒng)。美國(guó)在2000年前完成了超導(dǎo)濾波器在基站中的并網(wǎng)運(yùn)行試驗(yàn)，對(duì)市區(qū)TDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)試驗(yàn)表明，超導(dǎo)濾波器使高峰期內(nèi)基站容量增加 80%；在強(qiáng)射頻干擾CDMA基站時(shí)，超導(dǎo)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(dǎo)濾波器在 3G系統(tǒng)中應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，證明在覆蓋、容量、誤碼率、抗干擾和手機(jī)功率等方面有大幅改善。日本Toshiba公司于2004年設(shè)計(jì)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(jìn)行了試驗(yàn)。

軍事裝備領(lǐng)域一直是超導(dǎo)濾波器發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。在空間應(yīng)用方面，美國(guó)海軍牽頭進(jìn)行了高溫超導(dǎo)空間實(shí)驗(yàn)計(jì)劃(HTSSE)，并于2000年完成 前二階段試驗(yàn)；美國(guó)宇航局將低溫接收機(jī)前端列為實(shí)現(xiàn)21世紀(jì)戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，用于空間數(shù)據(jù)傳輸。在雷達(dá)和制導(dǎo)方面，美國(guó)STI公司研制了包含32個(gè)超 導(dǎo)帶阻濾波器的濾波器組，可實(shí)現(xiàn)從8.5GHz 到10.5GHz的快捷跳變，在機(jī)載預(yù)警雷達(dá)中發(fā)揮了重要作用；美國(guó)Conductus公司研制的超導(dǎo)數(shù)字瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)系統(tǒng)專門用于空軍ALR-74和 海軍AN/WLR-11預(yù)警接收機(jī)的雷達(dá)系統(tǒng)上；美國(guó)海軍試驗(yàn)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(dá)中，提升在海洋雜波群中識(shí)別小目 標(biāo)的能力，對(duì)掠海面突防導(dǎo)彈進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在射電天文方面，荷蘭為解決俄羅斯導(dǎo)航衛(wèi)星對(duì)Westerbork射電天文望遠(yuǎn)鏡的嚴(yán)重干擾，研制了超導(dǎo)帶阻濾波 器；英國(guó)伯明翰大學(xué)研制的用于射電天文接收機(jī)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(cè)窗口兩側(cè)的電視信號(hào)干擾，2004年歐洲發(fā)射火星登陸裝置時(shí) 啟用了這套超導(dǎo)濾波器的射電天文接收系統(tǒng)。

美國(guó)STI公司是目前世界上唯一一家實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)濾波器批量生產(chǎn)和應(yīng)用的公司，成立于1987年，建有完整的高溫超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)生產(chǎn)線，包括 超導(dǎo)薄膜制備、濾波器制作、制冷機(jī)生產(chǎn)、低溫電路生產(chǎn)、整機(jī)系統(tǒng)集成等，已投入研發(fā)經(jīng)費(fèi)約2億美元，擁有百余項(xiàng)專利技術(shù)。其超導(dǎo)濾波器從1997年開始正 式進(jìn)入移動(dòng)通信商業(yè)網(wǎng)，目前大約有6000臺(tái)在實(shí)際的應(yīng)用之中。

國(guó)內(nèi)高溫超導(dǎo)濾波器研究現(xiàn)狀

近年來，我國(guó)在高溫超導(dǎo)濾波器研究和應(yīng)用方面取得了重大進(jìn)展和突破，完成了多種規(guī)格的超導(dǎo)濾波器樣機(jī)設(shè)計(jì)制作和實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，并在研究工作不斷推進(jìn)的同時(shí)，建立了專業(yè)的產(chǎn)業(yè)化公司。

在超導(dǎo)濾波器研究方面，研究單位包括多家高等院校、科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)化公司。針對(duì)移動(dòng)通信領(lǐng)域，已經(jīng)完成了包括GSM、CDMA、WCDMA等 多種標(biāo)準(zhǔn)的超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作，其中清華大學(xué)在北京、海泰超導(dǎo)公司在天津分別成功進(jìn)行了超導(dǎo)濾波器在CDMA基站的實(shí)際并網(wǎng)運(yùn)行和測(cè)試。針對(duì)其他應(yīng) 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)溫廓線雷達(dá)、衛(wèi)星微波接收機(jī)、X波段超導(dǎo)高性能接收機(jī)前端系統(tǒng)、超導(dǎo)信道化組件、超導(dǎo) 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(dǎo)濾波器的研究方面，國(guó)內(nèi)也取得了很大的進(jìn)展。

在超導(dǎo)濾波器產(chǎn)業(yè)化方面，天津海泰超導(dǎo)公司是2002年國(guó)內(nèi)成立的首家從事超導(dǎo)濾波器產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)，建成了國(guó)內(nèi)第一條超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)生產(chǎn)線， 在濾波器設(shè)計(jì)、超導(dǎo)精細(xì)加工、靜態(tài)真空獲得、系統(tǒng)集成等方面建立了多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，獲得數(shù)十項(xiàng)國(guó)家專利，是目前國(guó)內(nèi)唯一一家同時(shí)具備超導(dǎo)材料制 備、超導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)、批量生產(chǎn)制造、濾波器并網(wǎng)運(yùn)行測(cè)試能力的企業(yè)單位。2006年，綜藝超導(dǎo)公司在北京成立，2007年，美國(guó)STI在吉林成立合資公 司，積極推動(dòng)超導(dǎo)濾波器的規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用。

高溫超導(dǎo)濾波器應(yīng)用前景分析

依超導(dǎo)濾波器的自身特點(diǎn)和我國(guó)的實(shí)際研究情況來講，超導(dǎo)濾波器的優(yōu)異性能已得到普遍認(rèn)可，但要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，還需解決一定的問題。

第一是價(jià)格問題，由于必須配備制冷機(jī)和真空室使系統(tǒng)成本較高，特別是目前國(guó)內(nèi)尚無合適的制冷機(jī)供選擇，限制了降低成本的空間，制約了其大量的 應(yīng)用。據(jù)國(guó)外調(diào)查，如果超導(dǎo)濾波器的售價(jià)從目前約2萬美元降低到1萬美元，就會(huì)被運(yùn)營(yíng)商普遍接受。據(jù)了解，如果有數(shù)千臺(tái)超導(dǎo)濾波器的需求，包括制冷機(jī)、超 導(dǎo)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(dǎo)濾波器性價(jià)比將具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

第二是可靠性問題，因超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)必須配備制冷機(jī)和真空室，故障點(diǎn)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(dǎo)濾波器可以保證7年以上的無故障運(yùn)行，從基站整機(jī)系統(tǒng)來看，其可靠性滿足了移動(dòng)通信市場(chǎng)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(dǎo)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(tái)多通道的超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)，與多個(gè)單通道的傳統(tǒng)濾波器體積相比，超導(dǎo)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(yīng)該不 會(huì)成為制約超導(dǎo)濾波器在移動(dòng)通信中應(yīng)用的關(guān)鍵障礙，但提高集成度、減小體積仍是超導(dǎo)濾波器發(fā)展的不變目標(biāo)和趨勢(shì)。

截至2007年6月，中國(guó)移動(dòng)電話用戶已超過4.87億，是全球移動(dòng)電話用戶最多的國(guó)家。中國(guó)移動(dòng)和聯(lián)通所建基站已超過30萬個(gè)，中國(guó)3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)估計(jì)還需30萬個(gè)基站。若有20%的新建基站應(yīng)用超導(dǎo)濾波器，加上原有基站優(yōu)化，將會(huì)產(chǎn)生百億級(jí)的巨大市場(chǎng)。

結(jié)語

“十五”期間，科技部根據(jù)國(guó)際發(fā)展?fàn)顩r和我國(guó)研究基礎(chǔ)設(shè)立了863計(jì)劃超導(dǎo)技術(shù)專項(xiàng)，將高溫超導(dǎo)電纜、高溫超導(dǎo)限流器、高溫超導(dǎo)濾波器三個(gè)具 有重大應(yīng)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(guó)移動(dòng)通信的高速發(fā)展和在超導(dǎo)濾波器研究方面已有的基礎(chǔ)，相信經(jīng)過“十一五”的努力，超導(dǎo) 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(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。