高温超导滤波器系统及其应用

前言

滤波器是电子、通信系统中的关键器件，作用是对电信号进行提取、分离或抑制。随着使用频段的不断扩展，设备间的干扰也日趋严重，因此滤波器不 但要确保产品本身正常工作，而且要减少相互影响、维持正常的无线工作环境。常规滤波器由于金属电阻会产生一定衰耗，不可能达到理想的滤波性能。高温超导技 术的发展，为开发高性能滤波器提供了一种切实有效的方法。目前，高温超导技术在通信、雷达与射电天文等领域取得重大突破，美国已将高温超导滤波器推向市 场，并成功实现了批量应用。

在移动通信频段，高温超导材料的电阻比金属小3个数量级左右，制作的微带器件具有很高的品质因数，高温超导滤波器具有损耗极小、边带极陡峭、 带外抑制极好的特点。对传统滤波器，由于金属有损耗，要减小插损，只能减少滤波器阶数，边带不可能陡峭；要提高滤波器陡峭度，必须增加阶数，势必会增大插 损，很难同时兼顾这一对矛盾量。而高温超导滤波器是目前可以同时解决损耗和陡度的唯一有效方案，具有十分理想的滤波性能。在窄带宽、高阶数滤波器中优势非 常明显。1995年，美国的Zhang等研制成19阶契比雪夫高温超导滤波器。2001年，日本的Ueno等研制成32阶契比雪夫滤波器，其性能远非常规 滤波器可比。1998年，英国的洪嘉生等首先采用准椭圆函数设计，在通带附近设置一对或多对零点。2003年，日本的Tsuzuki等制作了22阶5对传 输零点的高陡度超导滤波器，技术指标达到了崭新高度。

高温超导滤波器构成

高温超导滤波器由于工作温度低，需要深度制冷，因此外围部件较多，结构较复杂。主要包括高温超导滤波放大电路、深度制冷系统、精确控制系统、真空绝热系统四部分，如图1所示。

图1 高温超导滤波器系统结构框架图

其中高温超导滤波放大电路是系统的核心部分，包括高温超导滤波器(HTS Filter)和低温低噪声放大器(LNA)，滤波器微带电路由高温超导薄膜材料制作，工作温度在液氮温区(77K)，为降低系统的噪声，将低噪声放大器也放置于低温区。

深度制冷系统为高温超导滤波器提供实现超导特性的低温工作环境，一般常用斯特林制冷机或脉冲管制冷机，是系统的另一关键部件。

真空绝热系统是将工作于液氮温区的超导滤波放大电路与外界的室温环境隔开，尽可能降低两者间的热量传递，真空度的保持状况将直接影响制冷机的状态，影响超导滤波器系统的工作稳定性。

精确控制系统是实时测试高温超导滤波放大电路的实际工作温度，随时对制冷系统发出指令，保持冷区温度恒定，同时对系统的相关参数进行监控和预警。

高温超导滤波器的优势

高温超导滤波器与传统滤波器相比，具有明显的性能优势，选择国外制作的优良常规滤波器和天津海泰超导公司制作的超导滤波器进行比较，如图2所 示，可看出超导滤波器的优势主要体现在两个方面：(1)极低的插损(小于0.2dB)，再配合低温低噪声放大器，超导滤波器系统的噪声系数大约在 0.7dB左右，与传统的2~3dB的系统噪声系数相比改善不少。(2)优异的带边陡度特性，超导滤波器可以制作出接近矩形的频率响应曲线，若应用于存在 邻频干扰的环境中，可充分发挥超导滤波器的优势，如图2中所示，常规滤波器对干扰信号的抑制非常有限，而超导滤波器则可以将干扰信号完全抑制掉。图2 超导滤波器与常规滤波器的性能比较图

在实际应用中，超导滤波器对设备性能的提升程度也由这两方面直接决定，超导滤波器系统噪声的改善可直接反映出来，无论设备的外界无线环境状况 如何；通过抑制干扰信号提升设备性能则取决于实际的干扰状态，干扰越严重，超导滤波器的优势越明显，若无干扰信号，超导滤波器的带边陡度优势就难以体现。 国外曾做过试验，无干扰时，系统改善只有1～2dB，对于强干扰环境，超导滤波器可将系统改善十多dB，甚至达数十dB。

目前，国内外针对超导滤波器在移动通信系统中的应用做了大量工作，在基站安装超导滤波器后，可有效降低接收系统的噪声系数，提高系统的抗干扰能力，优势如下：

(1)降低手机发射功率：超导滤波器可降低基站接收系统的噪声系数，提高基站接收灵敏度，降低手机发射功率，减小手机辐射对人体的危害，延长手机电池使用时间。

(2)扩大基站覆盖范围，节省建设投资：系统接收灵敏度的提高，可扩大基站覆盖范围，减少基站数量，在系统噪声改善3dB的情况下，基站覆盖距离可增大20%，覆盖面积增大40%。

(3)提高通话质量，提升基站容量：超导滤波器的应用，可全面提升通话质量，降低手机掉话率，提高接通率，提升数据传输速率，