超导材料在无线收发组件中的应用

　　自人类存在以来，通信就是人类沟通的重要手段。在尚未出现文字的远古时期，人与人之间用动作与表情传递信息。在人类创造文字后，孕育出多种信息传递的方式，如古代的书信文函、烽火台、击鼓鸣金、旗语等。古代的远距离的通信，最快也需要几天的时间。进入19世纪后，人们试图使用电信号进行更加高效的通信。19世纪30年代出现的电报通讯，是最早应用于电通信的手段。1880年世界上第一次无线电对话标志着无线电远距离通信的诞生。随着电磁学与材料学的发展，无线通讯系统日益发展，超导无线通讯相比传统的无线通讯，有着更远的传输距离，更低的传输损耗，在雷达制导、天文探测等尖端领域有着广阔的应用背景。

超导材料在无线收发组件中的应用

　　超导现象最早可以追朔到20世纪初。1911年，荷兰物理学家H.K.Onnes发现，在实验中将水银的温度降到4.2 K左右时其电阻会急剧下降，直至电阻为零，超导的研究由此展开。除了零电阻特性以外，德国物理学家W.Meissner和R.Ochsenfeld在1933年发现超导材料还具有完全抗磁性，即超导体内磁感应强度为零，这一性质又被称做迈斯纳效应。科研工作者将某些材料在特定条件下同时具有零电阻特性和迈斯纳效应的现象称为超导电性，具有超导电性的材料称为超导体材料。

　　1986年以前，科学家们发现超导体的转变温度Tc均小于23K，过低的转变温度使得制冷难度极大，相应成本极高。但是在1987年，中国科学家赵忠贤等人发现了转变温度超过90K的超导体，从此进入了液氮温区的时代。

　　如何将超导材料应用于无线收发领域，科研工作者将目光投向了YBCO超导薄膜材料(图1)。目前使用最多的是Bi、Y和Tl三系超导材料。YBCO超导薄膜转变温度Tc较高，约为92K，且相比于Bi制造成本要低，相比于Tl不易挥发，这给YBCO超导材料的应用带来了极大的便利。除了转变温度适宜以外，YBCO超导材料还十分契合无线通信中的通信频段条件。在实验的基础上，科学家们发现，随着通过超导体电流频率的提高，超导体的表面电阻会逐渐升高，在100GHz左右其电阻反而会超过Cu等金属材料(图2)。但是在30GHz以下的频段，YBCO材料的表面电阻比普通金属Cu低3个数量级以上，远远小于常规导体，这一卓越的微波性能为其在无线领域里的应用奠定了基础。

　　在无线收发系统中，天线接收来自发送端的微弱电磁信号，滤波器滤除杂波，使加载着信息的复合信号得以通过接收系统，进入到下一级信号放大系统中。在微波波段，用YBCO超导材料制成的天线可使用于天文探测，雷达对抗等领域。在电路特性上，超导天线具有插入损耗低、表面电阻极低等特点，在传输特性上具有方向性好，辐射增益高等特点。在同等尺寸下，超导天线的最远传输距离是普通天线的2-3倍，目前已知应用微型超导天线的是导弹制导，在导弹上加载小型低温制冷机为超导天线提供环境，使得导弹可在以导弹为圆心的300m范围内进行精确打击。同样是YBCO超导材料制成的滤波器，其电路特性上，有着插入损耗低、可实现极窄带宽等优点。在同等尺寸与技术下，其带宽比普通滤波器低：普通滤波器的3dB相对带宽在1%的情况下，超导滤波器大概在0.3-0.5%，更低的通频带意味着可以将频段分的更细，可以显着减少来自其他信号的干扰;超导滤波器的3dB矩形系数比普通滤波器更优，带边陡度更陡，对带外干扰信号能起着更好的抑制作用。

　　在欧美等先进国家，大约一万个通讯基站已经开始使用超导收发组件。在国内，超导滤波器正逐步扩大应用，其理论体系也日趋完善，而超导天线研究者甚少。在超导材料应用方面，目前除了军工，还没有大规模的应用。制约超导材料应用的一是加工工艺，在现有的光刻工艺下，YBCO薄膜的最大尺寸仅为3英寸。二是环境温度，制造液氮环境只是相对简单，目前绝大多民用企业尚不具备制备液氮的条件。但是我们可以预见，随着科技的进步，工艺的成熟，超导材料必将代替普通金属材料，成为无线通信中的主力军。

　　《超导材料在无线收发组件中的应用》来源：《电子世界》，作者：张戈戎