以高溫超導(dǎo)濾波器為實(shí)例的高溫超導(dǎo)技術(shù)探索

穆柯舟

摘 要：本文基于筆者的研習(xí)經(jīng)驗(yàn)，以理論結(jié)合實(shí)際的工作研究方式以高溫超導(dǎo)濾波器為實(shí)例進(jìn)行高溫超導(dǎo)（HTS）技術(shù)的探索，為基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展提供實(shí)例依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高溫;超導(dǎo);濾波器;技術(shù)

材料科學(xué)的發(fā)展及其基礎(chǔ)物理現(xiàn)象規(guī)律的研究為實(shí)用科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展奠定了基礎(chǔ)，其中高溫超導(dǎo)（HTS）的發(fā)現(xiàn)為電學(xué)發(fā)展中超導(dǎo)的應(yīng)用和微觀量子的規(guī)律性變化開辟了新的方向。但是由于研究手段及當(dāng)前基礎(chǔ)現(xiàn)象認(rèn)識(shí)所限，人們對(duì)相關(guān)高溫超導(dǎo)機(jī)理問題的認(rèn)識(shí)仍舊不完善。在通訊科學(xué)領(lǐng)域，高溫超導(dǎo)材料的運(yùn)用可以將設(shè)備微波表面電阻進(jìn)行無限縮小。據(jù)測(cè)算，其相關(guān)數(shù)值比銅等常規(guī)金屬弱將近3個(gè)數(shù)量級(jí)。所以運(yùn)用相關(guān)材料制造高性能微波濾波器拓展微波通信速度和精度的方法成為了可能。根據(jù)筆者對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)，基于高溫超導(dǎo)濾波器為實(shí)例的高溫超導(dǎo)（HTS）技術(shù)發(fā)展迅猛，現(xiàn)已廣泛運(yùn)用于移動(dòng)通信、雷達(dá)、深空探測(cè)和衛(wèi)星通信等多學(xué)科范疇。同時(shí)，基于高溫超導(dǎo)技術(shù)本身的發(fā)展，相關(guān)濾波器的大功率、多工器及可調(diào)頻率功能性也在不斷拓展當(dāng)中。本文基于筆者的研習(xí)經(jīng)驗(yàn)，以理論結(jié)合實(shí)際的研究方式以高溫超導(dǎo)濾波器為實(shí)例進(jìn)行高溫超導(dǎo)技術(shù)的探索，為基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展提供實(shí)例依據(jù)。

1 高溫超導(dǎo)面臨的挑戰(zhàn)

基于BCS理論的定義，高溫超導(dǎo)的超導(dǎo)相的性可以進(jìn)行全面預(yù)測(cè)。但是實(shí)驗(yàn)范疇的正常相的性質(zhì)與常規(guī)不同甚至反常。當(dāng)前的固體量子理論也無法對(duì)其作出可信度較高的解釋。根據(jù)相關(guān)研究，氧化銅高溫超導(dǎo)體相圖中有五個(gè)相：特殊絕緣體、超導(dǎo)體、偽能隙、奇異金屬和朗道費(fèi)米液體相。該相圖隨摻雜濃度ρ和溫度T的變化而變化。其中偽間隙相存在于欠摻雜區(qū)，奇異金屬相存在于最佳摻雜區(qū)，朗道費(fèi)米液體相存在于超摻雜區(qū)。他們都存在于超導(dǎo)體相之上，這與傳統(tǒng)金屬相類似。除了超導(dǎo)體相和朗道費(fèi)米液體相外，特殊絕緣體、偽能隙、奇異金屬相的物理性質(zhì)在現(xiàn)有的固體量子理論中不能較為合理的描述和解釋。高溫超導(dǎo)無摻雜母材所代表的莫特絕緣體中性激發(fā)的微觀描述、偽間隙產(chǎn)生的物理機(jī)制、超導(dǎo)體的相位波動(dòng)、線電阻和電荷自旋分離等問題，也不能在同一框架下合理的描述和解釋。這便是一個(gè)限制高溫超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的主要因素。

2 高溫超導(dǎo)應(yīng)用——高溫超導(dǎo)濾波器

2.1 高溫超導(dǎo)濾波器的移動(dòng)通信應(yīng)用

人口的增加和電子電信行業(yè)的發(fā)展使得移動(dòng)通信領(lǐng)域有限的的頻率資源越來越稀缺。其中不同運(yùn)營(yíng)商的設(shè)備技術(shù)摸索較為相同，而這種同化技術(shù)下的信號(hào)互擾情況日益嚴(yán)重。若運(yùn)用高溫超導(dǎo)濾波器配合相應(yīng)的前端接收設(shè)備就能為通訊領(lǐng)域的發(fā)展解決一定困擾，極大規(guī)避信號(hào)互擾現(xiàn)象，極大利用高溫超導(dǎo)微波接收前端的低噪聲系數(shù)進(jìn)行微波接收機(jī)靈敏度的提升，從而可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際拓寬相同功耗下的基站覆蓋面積。同時(shí)運(yùn)用高溫超導(dǎo)微波接收前端的高選擇性，在有效功耗下全面提升不同形式下的基站抗干擾能力，給通話質(zhì)量和傳輸速度提供更好的優(yōu)化。在實(shí)用科學(xué)階段，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)廣泛運(yùn)用高溫超導(dǎo)微波接收前端作為移動(dòng)通信的下一代技術(shù)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，美國(guó)已經(jīng)建成并投用超過10000個(gè)使用高溫超導(dǎo)微波接收前端的基站。從國(guó)家當(dāng)前的運(yùn)用效果數(shù)據(jù)可以得出：在當(dāng)前技術(shù)革新和材料進(jìn)步的框架下，部分或者全部使用高溫超導(dǎo)微波接收前端可以有效提升基站覆蓋面積，相關(guān)效率較以往相比增大了10%～15%。目前，歐洲正在普及和運(yùn)用。

2.2 高溫超導(dǎo)濾波器的雷達(dá)應(yīng)用

雷達(dá)是通過不同的波頻信號(hào)進(jìn)行不同目標(biāo)探測(cè)的技術(shù)。由于雜波的干擾對(duì)其影響較大，運(yùn)用高溫超導(dǎo)濾波器進(jìn)行升級(jí)的雷達(dá)能有效規(guī)避各種鄰頻干擾信號(hào)，提高探測(cè)精度，解決該干擾問題。在該領(lǐng)域，氣象雷達(dá)的工作性質(zhì)最受外界環(huán)境所干擾，所以在高溫超導(dǎo)濾波器運(yùn)用方面，該型雷達(dá)效果最佳。其中中科院物理所就曾將高溫超導(dǎo)微波前端部件運(yùn)用在風(fēng)廓線雷達(dá)中，其后續(xù)運(yùn)用效果良好。根據(jù)相關(guān)資料顯示，該風(fēng)廓線雷達(dá)工作頻率為1320MHz，其主要目的是發(fā)射并接受返回的微波信號(hào)進(jìn)行空天領(lǐng)域的風(fēng)向和風(fēng)速測(cè)算。在未進(jìn)行新技術(shù)改造升級(jí)前，由于不斷泛濫的移動(dòng)通信信號(hào)的間歇性干擾對(duì)該型雷達(dá)工作帶來嚴(yán)重的鄰頻干擾，參數(shù)錯(cuò)誤及相關(guān)誤測(cè)誤判現(xiàn)象頻繁發(fā)生。所以該領(lǐng)域急需高溫超導(dǎo)濾波器的全面運(yùn)用。

3 結(jié)語及展望

高溫超導(dǎo)材料是超導(dǎo)應(yīng)用的發(fā)展方向，其巨大的潛在需求加快了超導(dǎo)材料的發(fā)展與應(yīng)用的進(jìn)程。高溫超導(dǎo)電性的機(jī)理問題尚待解決。隨著高溫超導(dǎo)體的研究進(jìn)展，光和掃描隧道電子能譜等研究技術(shù)得到了發(fā)展，其中光電子能譜采用角分辨技術(shù)。與之相關(guān)的張量重正化群等多體計(jì)算方法也得到了優(yōu)化。在涂層導(dǎo)體方面，YBCO涂層導(dǎo)體將取代價(jià)格相對(duì)昂貴的Bi-2223超導(dǎo)帶材。

在高溫超導(dǎo)的應(yīng)用方面，強(qiáng)電應(yīng)用技術(shù)是發(fā)展的重點(diǎn)。高溫超導(dǎo)電纜的應(yīng)用可以改善電力傳輸?shù)姆€(wěn)定性，高溫超導(dǎo)磁體也可以應(yīng)用在醫(yī)學(xué)影像研究等領(lǐng)域。在弱電應(yīng)用領(lǐng)域，由于電子通信行業(yè)的發(fā)展至使高溫超導(dǎo)濾波器的研制與開發(fā)取得了極大的市場(chǎng)效應(yīng)，以雷達(dá)為代表的空天領(lǐng)域和以移動(dòng)通信為代表的電子信息領(lǐng)域都能通過超導(dǎo)材料的電學(xué)特性提升設(shè)備性能。在微觀技術(shù)發(fā)展范疇，高溫超導(dǎo)（HTS）揭示了大量新的多體量子現(xiàn)象，并開拓了一個(gè)新的多體量子理論體系來解決高溫超導(dǎo)的機(jī)理，全面促進(jìn)了基礎(chǔ)科學(xué)和實(shí)用工程的同步發(fā)展。

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