高溫超導技術在雷達中的應用

羅 軍

(海軍研究院 系統工程研究所，北京 100161)

0 引 言

隨著20世紀80年代后期高溫超導材料的發現，將高溫超導轉變溫度提高到了工程上較易實現的液氮區，極大地推動了超導研究從基礎科學向應用技術的發展，其中最先取得突破性進展的是在微波電子工程領域的應用。我國超導材料的研究和應用工作也走在世界前列。目前，國內多家院校、企業已開發出以超導濾波器為主的微波超導接收機前端產品，并已應用于通訊和雷達中，大大提高了通訊和雷達設備在日益復雜電磁環境中的適應能力。[1-2]

1 高溫超導濾波器及其特點

1.1 高溫超導材料簡介

1911年春，荷蘭物理學家昂內斯在用液氦將汞的溫度降到4.2 K(K為溫度單位開爾文，其與攝氏度之間的換算關系為攝氏度=K-273，因此4 K對應于零下269 ℃)時發現汞的電阻降為零。他把這種現象稱為超導現象，把具有超導電性的材料稱為超導材料或稱超導體(superconductor)。后來昂內斯和其他科學家陸續發現其他一些金屬和合金也具有超導電性。昂內斯因為這項重大發現而獲得了1913年的諾貝爾物理學獎。但是，當時的超導材料都工作在液氦溫度4 K，即需要將超導材料制冷到極低溫度才表現出超導電性，制冷成本很高。

這種情況直到1986年才得以改善。德國科學家伯德諾茲(GeorgBednorz)和瑞士科學家繆勒(Alex Müller)發現了一種臨界溫度為35 K的超導材料，并因此獲得了諾貝爾物理學獎。 不久之后的1987年，美國華裔科學家朱經武以及中國科學家趙忠賢相繼在釔鋇銅氧(Y-Ba-Cu-O)體系中發現了轉變溫度為94 K的材料，也就是現在應用最為廣泛的YBCO材料。這種材料可以用液氮(沸點為77 K)來制冷，其制冷成本僅為以前使用的液氦的千分之一。后來把這種可以在液氮溫度工作的超導材料稱為高溫超導材料。

高溫超導材料具有超導電基本現象，即直流零電阻現象和完全抗磁現象，如圖1所示。在77 K，高溫超導薄膜材料的微波表面電阻比銅電阻小兩個數量級，如圖2所示。因此，用超導薄膜材料做出的濾波器具有幾乎理想的濾波性能。

1.2 超導濾波器的結構

超導濾波器一般為平面微帶結構。上下層為超導膜，通常為釔鋇銅氧(YBCO)或鉈鋇鈣銅氧(TBCCO)，厚約0.6 μm，中間為介質基片(通常為鋁酸鑭、氧化鎂或藍寶石)，尺寸通常小于50 mm，厚0.5 mm左右。上層超導膜根據濾波器的性能需要加工成所需要的形狀。左右兩端為電極，如圖3所示。

1.3 超導濾波器的性能特點

高溫超導材料具有普通金屬材料所無法比擬的優異特性。在直流情況下，它能夠無阻地傳輸電流；在微波頻段，其表面電阻值比相同溫度下普通金屬的電阻值低2個數量級以上。因此，用高溫超導材料可以研制出帶內插損極低且帶邊陡峭度非常高的濾波器。

圖4為超導濾波器與常規濾波器的響應曲線示意圖。可以看出，與普通濾波器相比，超導濾波器的帶內插損更小，帶邊陡峭度高。

超導濾波器的濾波性能特點如下：

? 噪聲系數極低

普通濾波器系統(濾波器加前置放大器)的噪聲系數為3～7 dB，而超導濾波器系統的噪聲系數為0.6～0.8 dB，因而超導濾波器系統具有很高的靈敏度。

? 帶邊陡峭度很高(矩形系數很好)

相對于普通濾波器系統，超導濾波器系統的通帶邊緣十分陡峭，帶邊陡峭度比金屬濾波器可提高5～20倍。因而，超導濾波器系統具有很好的選擇性和抗干擾能力。

? 通帶插入損耗小，帶外抑制性好

超導濾波器對帶內有用信號幾乎無損耗地通過，而對帶外干擾信號損耗極大,無法通過。

因此，超導濾波器系統可以同時具有高靈敏度和高選擇性，是普通濾波器系統無可比擬的。

2 高溫超導濾波器的組成及應用技術

2.1 超導濾波器系統的組成

超導濾波器系統主要由高溫超導濾波器、低噪聲前置放大器、電制冷機和控制系統等組成(如圖5所示)。制冷機提供超導濾波器工作所需要的低溫(77 K左右)。前置放大器置于77 K左右的低溫下，其噪聲系數因低溫而大幅下降，使整個系統的噪聲系數進一步降低。實際的超導濾波器系統一般將所有部件都安裝于1個機殼內，有1個微波信號輸入口、1個微波信號輸出口和1個交流電源插頭。因為超導器件是需要工作在77 K以下，其工作離不開制冷機和真空杜瓦(提供其工作所需的低溫真空環境),必須以組件的形式在雷達、通訊等電子設備中使用，如圖6[2]所示。將由高溫超導濾波器、低噪聲放大器、控制電路等和小型制冷機組成的組件稱為高溫超導濾波器系統或超導接收前端。

2.2 超導濾波器系統的應用[3]

常規接收機前端與超導接收機前端原理示意圖及其的對比如圖7所示。對于由常規濾波器和常溫低噪聲放大器實現的接收機來說，靈敏度和抗干擾能力要求往往是互相矛盾的。將濾波器置于放大器之前，可以提高接收機抗阻塞干擾和交調干擾的能力，然而常規濾波器的插損將導致接收機靈敏度下降。因此，在常規接收機前端中，通常將低噪聲放大器置于濾波器之前，以提高接收機的靈敏度，然而，該配置將導致接收機抗帶外干擾能力嚴重不足。超導接收機前端由超導濾波器、低溫低噪聲放大器、小型制冷機和控制電路等組成，真空腔體保護超導濾波器和低溫低噪聲放大器等核心器件工作于77 K(-200℃左右)以下的低溫環境中，由制冷機制冷。由于超導濾波器插入損耗極低，可以將其設置在低噪聲放大器之前而對噪聲系數影響較小；同時由于將低噪聲放大器也設置在低溫環境下工作，噪聲系數進一步降低，因此，超導接收機前端同時具有極低的噪聲系數和非常高的頻率選擇性，將其應用于各種無線通訊、雷達系統的接收機前端，可大幅度地提高靈敏度和抗帶外干擾能力，大幅增強各種無線通信和探測系統在復雜電磁干擾環境下的探測通信性能。

從技術角度來看，超導接收機前端的技術門檻較高，除需要高可靠的超導濾波器及低溫電子器件外，還必須有高可靠的小型制冷機，還涉及到真空封裝技術、傳輸窗口技術(低溫到常溫的有效過渡)，以及高效的熱設計技術和封裝結構設計技術，幾者缺一不可。不僅如此，它也給工程應用帶來諸多不利因素，必須加以規避：

(1) 開機從常溫制冷到低溫工作狀態需要一個降溫時間期(一般需要1 h)，不利于雷達快速響應的使用要求。目前國內某單位通過優化低溫集成已把該時間縮短到0.5 h，配以小型UPS電源，可實現快速響應。

(2) 可靠性制約于高可靠制冷機和真空封裝。因為一旦低溫環境被破壞，超導器件將不工作，整個鏈路失效不通，失效模式為0和1的關系。

(3) 可維修和可維護性至關重要，原因在于它是機電一體化產品，制冷機為機械件，活塞等是有壽命的，MTBF為20 000 h左右，在15年的產品壽命服務周期內需多次返廠維修維護。因此，工程應用時，廠家的維修保障能力要求比其他產品來說要突出。

(4) 受制于制冷機和杜瓦，體積質量功耗等因素不能忽略(盡管超導器件體積質量功耗很小，可與一元硬幣相比擬，但不得不構成組件來應用，制冷機杜瓦等帶來的體積質量功耗在有些應用場合不能被忽視。一般超導接收機前端的功耗200 W左右(90%的功耗為制冷機)，體積300 mm×200 mm×250 mm，質量10 kg。

(5) 成本比常規器件的接收機前端高很多，其中制冷機為主要成本，其成本是超導濾波器成本的15～30倍。

3 雷達應用超導接收前端的可行性及其效能分析

3.1 雷達應用超導濾波器可行性分析

目前，從應用超導接收前端的角度分類，雷達有3種收發技術體制，一是發射機采用磁控管、電子管等的非相參技術體制，二是發射機采用行波管、速調管、固態(集中式發射)等的相參技術體制，三是采用分布發射接收通道的有源相控陣(或數字T/R陣)技術體制。

發射機采用磁控管、電子管等的非相參技術體制的雷達，其工作頻率本身漂移很大，無法應用超導濾波器，或者說應用比較麻煩(需要濾波器的頻率跟著發射機的頻率移動)，或者說應用超導濾波器效果不好。另外，非相參雷達價格很低，超導濾波器價格高，從價格的角度考慮也不合適。總之，在非相參技術體制的雷達上應用超導濾波器不合適。

發射機采用行波管、速調管、固態(集中式發射)等相參技術體制的雷達一般有1個接收通道(或稱為接收機)到幾個接收通道。例如，典型的單脈沖跟蹤雷達有3個接收通道，而每個接收通道一般又有十幾個到幾十個工作頻點。這樣一部雷達需要用到十幾個～幾十個超導濾波器，可用一個制冷機給多通道超導濾波器組制冷。目前，已有1個制冷機供16個超導濾波器的樣機，從價格的角度考慮可以承受。因此，在相參技術體制的雷達上應用超導濾波器比較合適。

采用分布發射接收通道的有源相控陣技術體制雷達一般有幾千到上萬個收發單元，如果用超導濾波器，需要幾倍到幾十倍收發單元數量的濾波器。這首先在價格上不能承受。另外，每個收發單元的尺寸有限，在結構尺寸上也不允許。因此，在有源相控陣技術體制的雷達上目前應用超導濾波器有很大的難度。

總之，鑒于目前高溫超導濾波器系統在雷達中的應用還處于起步階段，價格較高。另外，由于需要制冷機提供超導濾波器工作所需要的低溫，體積和質量主要取決于制冷機。目前，制冷機的體積和質量還比較大。因此，目前高溫超導濾波器系統適用于接收機是集中式的、接收通道數量較少的、接收工作頻率點較少的全相參體制的雷達中。用大量T/R組件的相控陣雷達以及分布式接收多通道的雷達目前應用還比較困難。頻率掃描體制的雷達目前應用也比較困難。

目前，高溫超導濾波器應用存在的主要問題是成本高。雷達工作頻點一般在數十個以上，如果每個頻點配一個超導濾波器，濾波器的價格將高于雷達的價格，裝備管理部門無法接受這樣的現實。為了降低成本，目前國內有科學院物理所等單位正在研制可調諧的高溫超導濾波器，但技術還不夠成熟。只有VHF到UHF頻段的可調諧的高溫超導濾波器基本達到了實用要求，并且可調諧的高溫超導濾波器的性能沒有固定頻率濾波器的性能好。

3.2 高溫超導濾波器系統在雷達中的應用

高溫超導濾波技術在各種無線通信和探測領域均具有十分重要的應用價值。大量相關試驗測試和實際應用表明，使用超導濾波器可大幅度地提高多種用途的無線通信探測系統的靈敏度和抗干擾能力，可明顯地增強在復雜電磁環境下系統的工作性能。高溫超導濾波器在雷達中的應用：

(1) 降低噪聲系數，提高接收機靈敏度

由于接收機低噪聲放大器放在-200 ℃的低溫下工作，可使其噪聲系數降低，接收機靈敏度提高。但是，由于高溫超導濾波器放在低噪聲放大器的前邊，增加了插損(較小)，總的效果是比普通的雷達接收機噪聲系數略低，接收機靈敏度略高，但改善不大。因此，對雷達作用距離的增加也改善不大。

另外，需要指出的是，具體應用情況還需要作具體分析。一般情況下，雷達的工作頻點較多，理應一個頻點對應一個超導濾波器。為了減少體積、質量、成本，通常用1個制冷機給多個濾波器制冷。在超導濾波器的電路實現中，在各個濾波器前需加一個電子轉換開關。圖8為16通道超導接收前端組成示意圖。

高溫超導濾波器接收前端由一路轉多路的電子開關、超導濾波器、低噪聲放大器、多路轉一路的電子開關、制冷機、控制電路等組成。一路轉多路的電子開關也有一個插入損耗和三階互調的問題。一路轉十六路的電子開關插入損耗與工作頻率有關，頻率越高插損越大。在VHF波段的插入損耗在1.2～1.5 dB。因此，雷達按上述方案加裝超導濾波器接收前端后，有可能使接收機噪聲系數變大，接收機靈敏度下降，雷達的作用距離也相應下降。

(2) 提高帶外抑制能力及雷達抗帶外(鄰頻)干擾的能力

由于常規雷達接收機的帶外抑制性能差，在工作時會受到干擾，影響雷達的探測性能，使正常作用距離下降，使用高溫超導濾波器后雷達作用距離可恢復到正常值(理論設計的性能)。

? 提高艦艇編隊雷達間抗干擾能力

隨著同型雷達裝備數量的增加，艦艇編隊內同型雷達間的同頻干擾日益嚴重。根本的解決措施是編隊內同型雷達間工作頻點相互錯開。但是，即使頻點錯開，由于接收機前端低噪聲放大器是寬開的，干擾信號仍會在接收機前端產生互調、交調和倒置混頻作用。接收機混頻器中會產生寄生響應，對接收機帶內造成干擾。因此，如果在接收機前端低噪聲放大器前加一個窄帶預選濾波器，對接收的回波信號進行預選濾波，濾除工作頻點帶外的干擾信號，保證不會因互調、交調和倒置混頻作用導致相互間干擾。預選濾波器要求通帶窄、矩形度好、插損低，并能夠適應雷達捷變頻工作，一般常溫預選濾波器難以滿足這些要求。超導技術的研究發展和工程化應用為解決雷達微波接收機前端預選濾波問題帶來希望。

? 提高雷達抗阻塞干擾能力

由于雷達接收機前端是寬開的，在雷達工作頻段內任何一個頻率的強干擾信號都會對接收機前端造成阻塞，從而無法接收目標回波信號。因此，如果在接收機前端增加一個窄帶預選濾波器，對接收機前端進行保護，使接收機前端由寬開變為窄開，避免工作頻點帶外強干擾信號對接收機前端的阻塞，降低雷達接收機被有意干擾信號或無意干擾信號阻塞的概率，提高雷達抗干擾性能。

? 提高電磁兼容性能

如果能將高溫超導濾波器放在艦載雷達發射機輸出端，可降低艦載雷達帶外信號對其他艦載電子設備的干擾，可提高電磁兼容性能。目前，高溫超導濾波器最大可承受的功率是10 W左右，因此只能用在雷達發射機的前級。

4 結束語

雷達應用高溫超導濾波器系統可抑制帶外干擾，提高復雜電磁環境中的探測能力，根據高溫超導濾波器的特點以及目前國內的技術水平，目前高溫超導濾波器系統適用于接收機是集中式的、接收通道數量較少的、接收工作頻率點較少的全相參體制的雷達中。