以高温超导滤波器为实例的高温超导技术探索

穆柯舟

摘 要：本文基于笔者的研习经验，以理论结合实际的工作研究方式以高温超导滤波器为实例进行高温超导（HTS）技术的探索，为基础科学的发展提供实例依据。

关键词：高温;超导;滤波器;技术

材料科学的发展及其基础物理现象规律的研究为实用科学领域的进展奠定了基础，其中高温超导（HTS）的发现为电学发展中超导的应用和微观量子的规律性变化开辟了新的方向。但是由于研究手段及当前基础现象认识所限，人们对相关高温超导机理问题的认识仍旧不完善。在通讯科学领域，高温超导材料的运用可以将设备微波表面电阻进行无限缩小。据测算，其相关数值比铜等常规金属弱将近3个数量级。所以运用相关材料制造高性能微波滤波器拓展微波通信速度和精度的方法成为了可能。根据笔者对相关领域的认识，基于高温超导滤波器为实例的高温超导（HTS）技术发展迅猛，现已广泛运用于移动通信、雷达、深空探测和卫星通信等多学科范畴。同时，基于高温超导技术本身的发展，相关滤波器的大功率、多工器及可调频率功能性也在不断拓展当中。本文基于笔者的研习经验，以理论结合实际的研究方式以高温超导滤波器为实例进行高温超导技术的探索，为基础科学发展提供实例依据。

1 高温超导面临的挑战

基于BCS理论的定义，高温超导的超导相的性可以进行全面预测。但是实验范畴的正常相的性质与常规不同甚至反常。当前的固体量子理论也无法对其作出可信度较高的解释。根据相关研究，氧化铜高温超导体相图中有五个相：特殊绝缘体、超导体、伪能隙、奇异金属和朗道费米液体相。该相图随掺杂浓度ρ和温度T的变化而变化。其中伪间隙相存在于欠掺杂区，奇异金属相存在于最佳掺杂区，朗道费米液体相存在于超掺杂区。他们都存在于超导体相之上，这与传统金属相类似。除了超导体相和朗道费米液体相外，特殊绝缘体、伪能隙、奇异金属相的物理性质在现有的固体量子理论中不能较为合理的描述和解释。高温超导无掺杂母材所代表的莫特绝缘体中性激发的微观描述、伪间隙产生的物理机制、超导体的相位波动、线电阻和电荷自旋分离等问题，也不能在同一框架下合理的描述和解释。这便是一个限制高温超导技术发展的主要因素。

2 高温超导应用——高温超导滤波器

2.1 高温超导滤波器的移动通信应用

人口的增加和电子电信行业的发展使得移动通信领域有限的的频率资源越来越稀缺。其中不同运营商的设备技术摸索较为相同，而这种同化技术下的信号互扰情况日益严重。若运用高温超导滤波器配合相应的前端接收设备就能为通讯领域的发展解决一定困扰，极大规避信号互扰现象，极大利用高温超导微波接收前端的低噪声系数进行微波接收机灵敏度的提升，从而可以在现场实际拓宽相同功耗下的基站覆盖面积。同时运用高温超导微波接收前端的高选择性，在有效功耗下全面提升不同形式下的基站抗干扰能力，给通话质量和传输速度提供更好的优化。在实用科学阶段，欧美发达国家已經广泛运用高温超导微波接收前端作为移动通信的下一代技术。据不完全统计，美国已经建成并投用超过10000个使用高温超导微波接收前端的基站。从国家当前的运用效果数据可以得出：在当前技术革新和材料进步的框架下，部分或者全部使用高温超导微波接收前端可以有效提升基站覆盖面积，相关效率较以往相比增大了10%～15%。目前，欧洲正在普及和运用。

2.2 高温超导滤波器的雷达应用

雷达是通过不同的波频信号进行不同目标探测的技术。由于杂波的干扰对其影响较大，运用高温超导滤波器进行升级的雷达能有效规避各种邻频干扰信号，提高探测精度，解决该干扰问题。在该领域，气象雷达的工作性质最受外界环境所干扰，所以在高温超导滤波器运用方面，该型雷达效果最佳。其中中科院物理所就曾将高温超导微波前端部件运用在风廓线雷达中，其后续运用效果良好。根据相关资料显示，该风廓线雷达工作频率为1320MHz，其主要目的是发射并接受返回的微波信号进行空天领域的风向和风速测算。在未进行新技术改造升级前，由于不断泛滥的移动通信信号的间歇性干扰对该型雷达工作带来严重的邻频干扰，参数错误及相关误测误判现象频繁发生。所以该领域急需高温超导滤波器的全面运用。

3 结语及展望

高温超导材料是超导应用的发展方向，其巨大的潜在需求加快了超导材料的发展与应用的进程。高温超导电性的机理问题尚待解决。随着高温超导体的研究进展，光和扫描隧道电子能谱等研究技术得到了发展，其中光电子能谱采用角分辨技术。与之相关的张量重正化群等多体计算方法也得到了优化。在涂层导体方面，YBCO涂层导体将取代价格相对昂贵的Bi-2223超导带材。

在高温超导的应用方面，强电应用技术是发展的重点。高温超导电缆的应用可以改善电力传输的稳定性，高温超导磁体也可以应用在医学影像研究等领域。在弱电应用领域，由于电子通信行业的发展至使高温超导滤波器的研制与开发取得了极大的市场效应，以雷达为代表的空天领域和以移动通信为代表的电子信息领域都能通过超导材料的电学特性提升设备性能。在微观技术发展范畴，高温超导（HTS）揭示了大量新的多体量子现象，并开拓了一个新的多体量子理论体系来解决高温超导的机理，全面促进了基础科学和实用工程的同步发展。

参考文献：

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