高溫超導(dǎo)技術(shù)在雷達(dá)中的應(yīng)用

羅 軍

(海軍研究院 系統(tǒng)工程研究所，北京 100161)

0 引 言

隨著20世紀(jì)80年代后期高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)，將高溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提高到了工程上較易實(shí)現(xiàn)的液氮區(qū)，極大地推動(dòng)了超導(dǎo)研究從基礎(chǔ)科學(xué)向應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，其中最先取得突破性進(jìn)展的是在微波電子工程領(lǐng)域的應(yīng)用。我國超導(dǎo)材料的研究和應(yīng)用工作也走在世界前列。目前，國內(nèi)多家院校、企業(yè)已開發(fā)出以超導(dǎo)濾波器為主的微波超導(dǎo)接收機(jī)前端產(chǎn)品，并已應(yīng)用于通訊和雷達(dá)中，大大提高了通訊和雷達(dá)設(shè)備在日益復(fù)雜電磁環(huán)境中的適應(yīng)能力。[1-2]

1 高溫超導(dǎo)濾波器及其特點(diǎn)

1.1 高溫超導(dǎo)材料簡介

1911年春，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)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(guān)系為攝氏度=K-273，因此4 K對(duì)應(yīng)于零下269 ℃)時(shí)發(fā)現(xiàn)汞的電阻降為零。他把這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)現(xiàn)象，把具有超導(dǎo)電性的材料稱為超導(dǎo)材料或稱超導(dǎo)體(superconductor)。后來昂內(nèi)斯和其他科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)其他一些金屬和合金也具有超導(dǎo)電性。昂內(nèi)斯因?yàn)檫@項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)而獲得了1913年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但是，當(dāng)時(shí)的超導(dǎo)材料都工作在液氦溫度4 K，即需要將超導(dǎo)材料制冷到極低溫度才表現(xiàn)出超導(dǎo)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(xué)家伯德諾茲(GeorgBednorz)和瑞士科學(xué)家繆勒(Alex Müller)發(fā)現(xiàn)了一種臨界溫度為35 K的超導(dǎo)材料，并因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 不久之后的1987年，美國華裔科學(xué)家朱經(jīng)武以及中國科學(xué)家趙忠賢相繼在釔鋇銅氧(Y-Ba-Cu-O)體系中發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)變溫度為94 K的材料，也就是現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的YBCO材料。這種材料可以用液氮(沸點(diǎn)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(dǎo)材料稱為高溫超導(dǎo)材料。

高溫超導(dǎo)材料具有超導(dǎo)電基本現(xiàn)象，即直流零電阻現(xiàn)象和完全抗磁現(xiàn)象，如圖1所示。在77 K，高溫超導(dǎo)薄膜材料的微波表面電阻比銅電阻小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，如圖2所示。因此，用超導(dǎo)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(dǎo)濾波器的結(jié)構(gòu)

超導(dǎo)濾波器一般為平面微帶結(jié)構(gòu)。上下層為超導(dǎo)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(zhì)基片(通常為鋁酸鑭、氧化鎂或藍(lán)寶石)，尺寸通常小于50 mm，厚0.5 mm左右。上層超導(dǎo)膜根據(jù)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(dǎo)濾波器的性能特點(diǎn)

高溫超導(dǎo)材料具有普通金屬材料所無法比擬的優(yōu)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(gè)數(shù)量級(jí)以上。因此，用高溫超導(dǎo)材料可以研制出帶內(nèi)插損極低且?guī)н叾盖投确浅８叩臑V波器。

圖4為超導(dǎo)濾波器與常規(guī)濾波器的響應(yīng)曲線示意圖。可以看出，與普通濾波器相比，超導(dǎo)濾波器的帶內(nèi)插損更小，帶邊陡峭度高。

超導(dǎo)濾波器的濾波性能特點(diǎn)如下：

? 噪聲系數(shù)極低

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

? 帶邊陡峭度很高(矩形系數(shù)很好)

相對(duì)于普通濾波器系統(tǒng)，超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)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(dǎo)濾波器系統(tǒng)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(dǎo)濾波器對(duì)帶內(nèi)有用信號(hào)幾乎無損耗地通過，而對(duì)帶外干擾信號(hào)損耗極大,無法通過。

因此，超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)可以同時(shí)具有高靈敏度和高選擇性，是普通濾波器系統(tǒng)無可比擬的。

2 高溫超導(dǎo)濾波器的組成及應(yīng)用技術(shù)

2.1 超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)的組成

超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)主要由高溫超導(dǎo)濾波器、低噪聲前置放大器、電制冷機(jī)和控制系統(tǒng)等組成(如圖5所示)。制冷機(jī)提供超導(dǎo)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(shù)因低溫而大幅下降，使整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)進(jìn)一步降低。實(shí)際的超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)一般將所有部件都安裝于1個(gè)機(jī)殼內(nèi)，有1個(gè)微波信號(hào)輸入口、1個(gè)微波信號(hào)輸出口和1個(gè)交流電源插頭。因?yàn)槌瑢?dǎo)器件是需要工作在77 K以下，其工作離不開制冷機(jī)和真空杜瓦(提供其工作所需的低溫真空環(huán)境),必須以組件的形式在雷達(dá)、通訊等電子設(shè)備中使用，如圖6[2]所示。將由高溫超導(dǎo)濾波器、低噪聲放大器、控制電路等和小型制冷機(jī)組成的組件稱為高溫超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)或超導(dǎo)接收前端。

2.2 超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)的應(yīng)用[3]

常規(guī)接收機(jī)前端與超導(dǎo)接收機(jī)前端原理示意圖及其的對(duì)比如圖7所示。對(duì)于由常規(guī)濾波器和常溫低噪聲放大器實(shí)現(xiàn)的接收機(jī)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(jī)抗阻塞干擾和交調(diào)干擾的能力，然而常規(guī)濾波器的插損將導(dǎo)致接收機(jī)靈敏度下降。因此，在常規(guī)接收機(jī)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(jī)的靈敏度，然而，該配置將導(dǎo)致接收機(jī)抗帶外干擾能力嚴(yán)重不足。超導(dǎo)接收機(jī)前端由超導(dǎo)濾波器、低溫低噪聲放大器、小型制冷機(jī)和控制電路等組成，真空腔體保護(hù)超導(dǎo)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(huán)境中，由制冷機(jī)制冷。由于超導(dǎo)濾波器插入損耗極低，可以將其設(shè)置在低噪聲放大器之前而對(duì)噪聲系數(shù)影響較??；同時(shí)由于將低噪聲放大器也設(shè)置在低溫環(huán)境下工作，噪聲系數(shù)進(jìn)一步降低，因此，超導(dǎo)接收機(jī)前端同時(shí)具有極低的噪聲系數(shù)和非常高的頻率選擇性，將其應(yīng)用于各種無線通訊、雷達(dá)系統(tǒng)的接收機(jī)前端，可大幅度地提高靈敏度和抗帶外干擾能力，大幅增強(qiáng)各種無線通信和探測(cè)系統(tǒng)在復(fù)雜電磁干擾環(huán)境下的探測(cè)通信性能。

從技術(shù)角度來看，超導(dǎo)接收機(jī)前端的技術(shù)門檻較高，除需要高可靠的超導(dǎo)濾波器及低溫電子器件外，還必須有高可靠的小型制冷機(jī)，還涉及到真空封裝技術(shù)、傳輸窗口技術(shù)(低溫到常溫的有效過渡)，以及高效的熱設(shè)計(jì)技術(shù)和封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，幾者缺一不可。不僅如此，它也給工程應(yīng)用帶來諸多不利因素，必須加以規(guī)避：

(1) 開機(jī)從常溫制冷到低溫工作狀態(tài)需要一個(gè)降溫時(shí)間期(一般需要1 h)，不利于雷達(dá)快速響應(yīng)的使用要求。目前國內(nèi)某單位通過優(yōu)化低溫集成已把該時(shí)間縮短到0.5 h，配以小型UPS電源，可實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。

(2) 可靠性制約于高可靠制冷機(jī)和真空封裝。因?yàn)橐坏┑蜏丨h(huán)境被破壞，超導(dǎo)器件將不工作，整個(gè)鏈路失效不通，失效模式為0和1的關(guān)系。

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

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

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

3 雷達(dá)應(yīng)用超導(dǎo)接收前端的可行性及其效能分析

3.1 雷達(dá)應(yīng)用超導(dǎo)濾波器可行性分析

目前，從應(yīng)用超導(dǎo)接收前端的角度分類，雷達(dá)有3種收發(fā)技術(shù)體制，一是發(fā)射機(jī)采用磁控管、電子管等的非相參技術(shù)體制，二是發(fā)射機(jī)采用行波管、速調(diào)管、固態(tài)(集中式發(fā)射)等的相參技術(shù)體制，三是采用分布發(fā)射接收通道的有源相控陣(或數(shù)字T/R陣)技術(shù)體制。

發(fā)射機(jī)采用磁控管、電子管等的非相參技術(shù)體制的雷達(dá)，其工作頻率本身漂移很大，無法應(yīng)用超導(dǎo)濾波器，或者說應(yīng)用比較麻煩(需要濾波器的頻率跟著發(fā)射機(jī)的頻率移動(dòng))，或者說應(yīng)用超導(dǎo)濾波器效果不好。另外，非相參雷達(dá)價(jià)格很低，超導(dǎo)濾波器價(jià)格高，從價(jià)格的角度考慮也不合適?？傊诜窍鄥⒓夹g(shù)體制的雷達(dá)上應(yīng)用超導(dǎo)濾波器不合適。

發(fā)射機(jī)采用行波管、速調(diào)管、固態(tài)(集中式發(fā)射)等相參技術(shù)體制的雷達(dá)一般有1個(gè)接收通道(或稱為接收機(jī))到幾個(gè)接收通道。例如，典型的單脈沖跟蹤雷達(dá)有3個(gè)接收通道，而每個(gè)接收通道一般又有十幾個(gè)到幾十個(gè)工作頻點(diǎn)。這樣一部雷達(dá)需要用到十幾個(gè)～幾十個(gè)超導(dǎo)濾波器，可用一個(gè)制冷機(jī)給多通道超導(dǎo)濾波器組制冷。目前，已有1個(gè)制冷機(jī)供16個(gè)超導(dǎo)濾波器的樣機(jī)，從價(jià)格的角度考慮可以承受。因此，在相參技術(shù)體制的雷達(dá)上應(yīng)用超導(dǎo)濾波器比較合適。

采用分布發(fā)射接收通道的有源相控陣技術(shù)體制雷達(dá)一般有幾千到上萬個(gè)收發(fā)單元，如果用超導(dǎo)濾波器，需要幾倍到幾十倍收發(fā)單元數(shù)量的濾波器。這首先在價(jià)格上不能承受。另外，每個(gè)收發(fā)單元的尺寸有限，在結(jié)構(gòu)尺寸上也不允許。因此，在有源相控陣技術(shù)體制的雷達(dá)上目前應(yīng)用超導(dǎo)濾波器有很大的難度。

總之，鑒于目前高溫超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)在雷達(dá)中的應(yīng)用還處于起步階段，價(jià)格較高。另外，由于需要制冷機(jī)提供超導(dǎo)濾波器工作所需要的低溫，體積和質(zhì)量主要取決于制冷機(jī)。目前，制冷機(jī)的體積和質(zhì)量還比較大。因此，目前高溫超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)適用于接收機(jī)是集中式的、接收通道數(shù)量較少的、接收工作頻率點(diǎn)較少的全相參體制的雷達(dá)中。用大量T/R組件的相控陣?yán)走_(dá)以及分布式接收多通道的雷達(dá)目前應(yīng)用還比較困難。頻率掃描體制的雷達(dá)目前應(yīng)用也比較困難。

目前，高溫超導(dǎo)濾波器應(yīng)用存在的主要問題是成本高。雷達(dá)工作頻點(diǎn)一般在數(shù)十個(gè)以上，如果每個(gè)頻點(diǎn)配一個(gè)超導(dǎo)濾波器，濾波器的價(jià)格將高于雷達(dá)的價(jià)格，裝備管理部門無法接受這樣的現(xiàn)實(shí)。為了降低成本，目前國內(nèi)有科學(xué)院物理所等單位正在研制可調(diào)諧的高溫超導(dǎo)濾波器，但技術(shù)還不夠成熟。只有VHF到UHF頻段的可調(diào)諧的高溫超導(dǎo)濾波器基本達(dá)到了實(shí)用要求，并且可調(diào)諧的高溫超導(dǎo)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(dǎo)濾波器系統(tǒng)在雷達(dá)中的應(yīng)用

高溫超導(dǎo)濾波技術(shù)在各種無線通信和探測(cè)領(lǐng)域均具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。大量相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用表明，使用超導(dǎo)濾波器可大幅度地提高多種用途的無線通信探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度和抗干擾能力，可明顯地增強(qiáng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下系統(tǒng)的工作性能。高溫超導(dǎo)濾波器在雷達(dá)中的應(yīng)用：

(1) 降低噪聲系數(shù)，提高接收機(jī)靈敏度

由于接收機(jī)低噪聲放大器放在-200 ℃的低溫下工作，可使其噪聲系數(shù)降低，接收機(jī)靈敏度提高。但是，由于高溫超導(dǎo)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(dá)接收機(jī)噪聲系數(shù)略低，接收機(jī)靈敏度略高，但改善不大。因此，對(duì)雷達(dá)作用距離的增加也改善不大。

另外，需要指出的是，具體應(yīng)用情況還需要作具體分析。一般情況下，雷達(dá)的工作頻點(diǎn)較多，理應(yīng)一個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)超導(dǎo)濾波器。為了減少體積、質(zhì)量、成本，通常用1個(gè)制冷機(jī)給多個(gè)濾波器制冷。在超導(dǎo)濾波器的電路實(shí)現(xiàn)中，在各個(gè)濾波器前需加一個(gè)電子轉(zhuǎn)換開關(guān)。圖8為16通道超導(dǎo)接收前端組成示意圖。

高溫超導(dǎo)濾波器接收前端由一路轉(zhuǎn)多路的電子開關(guān)、超導(dǎo)濾波器、低噪聲放大器、多路轉(zhuǎn)一路的電子開關(guān)、制冷機(jī)、控制電路等組成。一路轉(zhuǎn)多路的電子開關(guān)也有一個(gè)插入損耗和三階互調(diào)的問題。一路轉(zhuǎn)十六路的電子開關(guān)插入損耗與工作頻率有關(guān)，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(dá)按上述方案加裝超導(dǎo)濾波器接收前端后，有可能使接收機(jī)噪聲系數(shù)變大，接收機(jī)靈敏度下降，雷達(dá)的作用距離也相應(yīng)下降。

(2) 提高帶外抑制能力及雷達(dá)抗帶外(鄰頻)干擾的能力

由于常規(guī)雷達(dá)接收機(jī)的帶外抑制性能差，在工作時(shí)會(huì)受到干擾，影響雷達(dá)的探測(cè)性能，使正常作用距離下降，使用高溫超導(dǎo)濾波器后雷達(dá)作用距離可恢復(fù)到正常值(理論設(shè)計(jì)的性能)。

? 提高艦艇編隊(duì)雷達(dá)間抗干擾能力

隨著同型雷達(dá)裝備數(shù)量的增加，艦艇編隊(duì)內(nèi)同型雷達(dá)間的同頻干擾日益嚴(yán)重。根本的解決措施是編隊(duì)內(nèi)同型雷達(dá)間工作頻點(diǎn)相互錯(cuò)開。但是，即使頻點(diǎn)錯(cuò)開，由于接收機(jī)前端低噪聲放大器是寬開的，干擾信號(hào)仍會(huì)在接收機(jī)前端產(chǎn)生互調(diào)、交調(diào)和倒置混頻作用。接收機(jī)混頻器中會(huì)產(chǎn)生寄生響應(yīng)，對(duì)接收機(jī)帶內(nèi)造成干擾。因此，如果在接收機(jī)前端低噪聲放大器前加一個(gè)窄帶預(yù)選濾波器，對(duì)接收的回波信號(hào)進(jìn)行預(yù)選濾波，濾除工作頻點(diǎn)帶外的干擾信號(hào)，保證不會(huì)因互調(diào)、交調(diào)和倒置混頻作用導(dǎo)致相互間干擾。預(yù)選濾波器要求通帶窄、矩形度好、插損低，并能夠適應(yīng)雷達(dá)捷變頻工作，一般常溫預(yù)選濾波器難以滿足這些要求。超導(dǎo)技術(shù)的研究發(fā)展和工程化應(yīng)用為解決雷達(dá)微波接收機(jī)前端預(yù)選濾波問題帶來希望。

? 提高雷達(dá)抗阻塞干擾能力

由于雷達(dá)接收機(jī)前端是寬開的，在雷達(dá)工作頻段內(nèi)任何一個(gè)頻率的強(qiáng)干擾信號(hào)都會(huì)對(duì)接收機(jī)前端造成阻塞，從而無法接收目標(biāo)回波信號(hào)。因此，如果在接收機(jī)前端增加一個(gè)窄帶預(yù)選濾波器，對(duì)接收機(jī)前端進(jìn)行保護(hù)，使接收機(jī)前端由寬開變?yōu)檎_，避免工作頻點(diǎn)帶外強(qiáng)干擾信號(hào)對(duì)接收機(jī)前端的阻塞，降低雷達(dá)接收機(jī)被有意干擾信號(hào)或無意干擾信號(hào)阻塞的概率，提高雷達(dá)抗干擾性能。

? 提高電磁兼容性能

如果能將高溫超導(dǎo)濾波器放在艦載雷達(dá)發(fā)射機(jī)輸出端，可降低艦載雷達(dá)帶外信號(hào)對(duì)其他艦載電子設(shè)備的干擾，可提高電磁兼容性能。目前，高溫超導(dǎo)濾波器最大可承受的功率是10 W左右，因此只能用在雷達(dá)發(fā)射機(jī)的前級(jí)。

4 結(jié)束語

雷達(dá)應(yīng)用高溫超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)可抑制帶外干擾，提高復(fù)雜電磁環(huán)境中的探測(cè)能力，根據(jù)高溫超導(dǎo)濾波器的特點(diǎn)以及目前國內(nèi)的技術(shù)水平，目前高溫超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)適用于接收機(jī)是集中式的、接收通道數(shù)量較少的、接收工作頻率點(diǎn)較少的全相參體制的雷達(dá)中。