详解高温超导滤波器构成

2014-06-03 来源:微波射频网 我要评论(0) 字号:

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。

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。

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,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,可以减少信道问防护频带(Guard Band)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。高温超导滤波器的研究现状 针对移动通信、雷达、卫星通信、导航、电子对抗、天文观测、数字电视和其他系统的要求,美、中、英、日等国已经研制出的多种类型、不同用途的超导滤波器。

在移动通信领域,欧盟于1996年提出了高温超导滤波器移动通信系统(SUCOM)研究计划,设计满足第三代移动通信标准WCDMA需求的超导滤波器系统。美国在2000年前完成了超导滤波器在基站中的并网运行试验,对市区TDMA移动通信系统试验表明,超导滤波器使高峰期内基站容量增加80%;在强射频干扰CDMA基站时,超导滤波器仍能大幅增加基站覆盖面积;Coiaductus公司与日本KDD和Hitachi公司完成了超导滤波器在3G系统中应用实验,证明在覆盖、容量、误码率、抗干扰和手机功率等方面有大幅改善。日本Toshiba公司于2004年设计了数字地面电视中继站用高温超导滤波器,并成功在日本广播公司的设备中进行了试验。

军事装备领域一直是超导滤波器发展的重要动力。在空间应用方面,美国海军牵头进行了高温超导空间实验计划(HTSSE),并于2000年完成前二阶段试验;美国宇航局将低温接收机前端列为实现21世纪战略目标的关键技术,用于空间数据传输。在雷达和制导方面,美国STI公司研制了包含32个超导带阻滤波器的滤波器组,可实现从8.5GHz到10.5GHz的快捷跳变,在机载预警雷达中发挥了重要作用;美国Conductus公司研制的超导数字瞬时测频接收机系统专门用于空军ALR一74和海军AN/WLR一11预警接收机的雷达系统上;美国海军试验研究所正将超导滤波器和低温低噪声放大器用于舰载多普勒雷达中,提升在海洋杂波群中识别小目标的能力,对掠海面突防导弹进行监测。在射电天文方面,荷兰为解决俄罗斯导航卫星对Westerbork射电天文望远镜的严重干扰,研制了超导带阻滤波器;英国伯明翰大学研制的用于射电天文接收机的超导滤波器有效控制了常规滤波器无法消除的观测窗口两侧的电视信号干扰,2004年欧洲发射火星登陆装置时启用了这套超导滤波器的射电天文接收系统。

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主题阅读: 超导滤波器

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