高溫超導濾波器系統及其應用

前言

濾波器是電子、通信系統中的關鍵器件，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境。常規濾波器由于金屬電阻會產生一定衰耗，不可能達到理想的濾波性能。高溫超導技 術的發展，為開發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個數量級左右，制作的微帶器件具有很高的品質因數，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。對傳統濾波器，由于金屬有損耗，要減小插損，只能減少濾波器階數，邊帶不可能陡峭；要提高濾波器陡峭度，必須增加階數，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、高階數濾波器中優勢非 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 濾波器可比。1998年，英國的洪嘉生等首先采用準橢圓函數設計，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、精確控制系統、真空絕熱系統四部分，如圖1所示。

圖1 高溫超導濾波器系統結構框架圖

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。圖2 超導濾波器與常規濾波器的性能比較圖