超导滤波器

超导滤波器主要是应用在无线通讯领域，目前开始使用在CDMA无线基站中，不过，超导滤波器在未来移动通信基础设施建设上很可能提供革命性的推动，也就是咱们所说的4G。高温超导技术在通信设备上特别有用，可以提高网络通信的质量，提供最新一代的信号过滤解决方案。相对于目前的3G网络，4G网络将能够提供具有卓越的性能更高的数据传输速率和更低的成本，这个就是超导滤波器的核心作用了。高温超导滤波器能够减少不必要的信号干扰，提高数据传输速率，提升电池寿命及减少额外中继器或手机基地台的需要。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。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。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(HTSFilter)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。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，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。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，同时使基站能容纳更多的用户。(4)充分利用频率资源：超导滤波器特有的边带陡峭、带外抑制好的特点，在不增加其他设备情况下，可以减少信道间防护频带(GuardBand)宽度，增加可用的频带带宽。(5)为一些特殊场所提供有效的解决方案：在一些文物保护单位、旅游景区等不适宜建设基站的场所，可通过在临近基站应用超导滤波器增加覆盖解决，另外，随着人们环保意识的增强，对于抵触在居民区建设基站的问题也是一种很好的解决方法。超导滤波器的优异性能已得到普遍认可，但要实现大规模应用，还需解决一定的问题。第一是价格问题，由于必须配备制冷机和真空室使系统成本较高，特别是目前国内尚无合适的制冷机供选择，限制了降低成本的空间，制约了其大量的应用。据国外调查，如果超导滤波器的售价从目前约2万美元降低到1万美元，就会被运营商普遍接受。据了解，如果有数千台超导滤波器的需求，包括制冷机、超导基片、低温器件、真空室等部件的成本都会成倍下降。形成批量后的超导滤波器性价比将具有很强的市场竞争力。第二是可靠性问题，因超导滤波器系统必须配备制冷机和真空室，故障点增加，其可靠性比不上传统的滤波器，但随着制冷、真空技术的发展，滤波器系统的可靠性得到了很大的提升，目前STI公司92%的超导滤波器可以保证7年以上的无故障运行，从基站整机系统来看，其可靠性满足了移动通信市场的要求。第三是体积问题，同样是外围部件的增加使其整体体积变大。随着制冷技术的发展和超导滤波器集成度的提高，体积也会逐渐变小。且一个基站只需一台多通道的超导滤波器系统，与多个单通道的传统滤波器体积相比，超导滤波器的体积并没有大到不可接受的地步，因此，相较于系统性能的提高，体积略大应该不会成为制约超导滤波器在移动通信中应用的关键障碍，但提高集成度、减小体积仍是超导滤波器发展的不变目标和趋势。