高溫超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)及其應(yīng)用

前言

濾波器是電子、通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，作用是對(duì)電信號(hào)進(jìn)行提取、分離或抑制。隨著使用頻段的不斷擴(kuò)展，設(shè)備間的干擾也日趨嚴(yán)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(huì)產(chǎn)生一定衰耗，不可能達(dá)到理想的濾波性能。高溫超導(dǎo)技 術(shù)的發(fā)展，為開發(fā)高性能濾波器提供了一種切實(shí)有效的方法。目前，高溫超導(dǎo)技術(shù)在通信、雷達(dá)與射電天文等領(lǐng)域取得重大突破，美國(guó)已將高溫超導(dǎo)濾波器推向市 場(chǎng)，并成功實(shí)現(xiàn)了批量應(yīng)用。

在移動(dòng)通信頻段，高溫超導(dǎo)材料的電阻比金屬小3個(gè)數(shù)量級(jí)左右，制作的微帶器件具有很高的品質(zhì)因數(shù)，高溫超導(dǎo)濾波器具有損耗極小、邊帶極陡峭、 帶外抑制極好的特點(diǎn)。對(duì)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(shì)必會(huì)增大插 損，很難同時(shí)兼顧這一對(duì)矛盾量。而高溫超導(dǎo)濾波器是目前可以同時(shí)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(shì)非 常明顯。1995年，美國(guó)的Zhang等研制成19階契比雪夫高溫超導(dǎo)濾波器。2001年，日本的Ueno等研制成32階契比雪夫?yàn)V波器，其性能遠(yuǎn)非常規(guī) 濾波器可比。1998年，英國(guó)的洪嘉生等首先采用準(zhǔn)橢圓函數(shù)設(shè)計(jì)，在通帶附近設(shè)置一對(duì)或多對(duì)零點(diǎn)。2003年，日本的Tsuzuki等制作了22階5對(duì)傳 輸零點(diǎn)的高陡度超導(dǎo)濾波器，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了嶄新高度。

高溫超導(dǎo)濾波器構(gòu)成

高溫超導(dǎo)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(jié)構(gòu)較復(fù)雜。主要包括高溫超導(dǎo)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(dǎo)濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

其中高溫超導(dǎo)濾波放大電路是系統(tǒng)的核心部分，包括高溫超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)濾波器提供實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)特性的低溫工作環(huán)境，一般常用斯特林制冷機(jī)或脈沖管制冷機(jī)，是系統(tǒng)的另一關(guān)鍵部件。

真空絕熱系統(tǒng)是將工作于液氮溫區(qū)的超導(dǎo)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(jī)的狀態(tài)，影響超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

精確控制系統(tǒng)是實(shí)時(shí)測(cè)試高溫超導(dǎo)濾波放大電路的實(shí)際工作溫度，隨時(shí)對(duì)制冷系統(tǒng)發(fā)出指令，保持冷區(qū)溫度恒定，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警。

高溫超導(dǎo)濾波器的優(yōu)勢(shì)

高溫超導(dǎo)濾波器與傳統(tǒng)濾波器相比，具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，選擇國(guó)外制作的優(yōu)良常規(guī)濾波器和天津海泰超導(dǎo)公司制作的超導(dǎo)濾波器進(jìn)行比較，如圖2所 示，可看出超導(dǎo)濾波器的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩個(gè)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(dǎo)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(dǎo)濾波器可以制作出接近矩形的頻率響應(yīng)曲線，若應(yīng)用于存在 鄰頻干擾的環(huán)境中，可充分發(fā)揮超導(dǎo)濾波器的優(yōu)勢(shì)，如圖2中所示，常規(guī)濾波器對(duì)干擾信號(hào)的抑制非常有限，而超導(dǎo)濾波器則可以將干擾信號(hào)完全抑制掉。圖2 超導(dǎo)濾波器與常規(guī)濾波器的性能比較圖