高温超导技术在雷达中的应用

2018-10-12罗军

雷达与对抗 2018年3期

罗军

(海军研究院系统工程研究所，北京 100161)

0 引言

随着20世纪80年代后期高温超导材料的发现，将高温超导转变温度提高到了工程上较易实现的液氮区，极大地推动了超导研究从基础科学向应用技术的发展，其中最先取得突破性进展的是在微波电子工程领域的应用。我国超导材料的研究和应用工作也走在世界前列。目前，国内多家院校、企业已开发出以超导滤波器为主的微波超导接收机前端产品，并已应用于通讯和雷达中，大大提高了通讯和雷达设备在日益复杂电磁环境中的适应能力。[1-2]

1 高温超导滤波器及其特点

1.1 高温超导材料简介

1911年春，荷兰物理学家昂内斯在用液氦将汞的温度降到4.2 K(K为温度单位开尔文，其与摄氏度之间的换算关系为摄氏度=K-273，因此4 K对应于零下269 ℃)时发现汞的电阻降为零。他把这种现象称为超导现象，把具有超导电性的材料称为超导材料或称超导体(superconductor)。后来昂内斯和其他科学家陆续发现其他一些金属和合金也具有超导电性。昂内斯因为这项重大发现而获得了1913年的诺贝尔物理学奖。但是，当时的超导材料都工作在液氦温度4 K，即需要将超导材料制冷到极低温度才表现出超导电性，制冷成本很高。

这种情况直到1986年才得以改善。德国科学家伯德诺兹(GeorgBednorz)和瑞士科学家缪勒(Alex Müller)发现了一种临界温度为35 K的超导材料，并因此获得了诺贝尔物理学奖。不久之后的1987年，美国华裔科学家朱经武以及中国科学家赵忠贤相继在钇钡铜氧(Y-Ba-Cu-O)体系中发现了转变温度为94 K的材料，也就是现在应用最为广泛的YBCO材料。这种材料可以用液氮(沸点为77 K)来制冷，其制冷成本仅为以前使用的液氦的千分之一。后来把这种可以在液氮温度工作的超导材料称为高温超导材料。

高温超导材料具有超导电基本现象，即直流零电阻现象和完全抗磁现象，如图1所示。在77 K，高温超导薄膜材料的微波表面电阻比铜电阻小两个数量级，如图2所示。因此，用超导薄膜材料做出的滤波器具有几乎理想的滤波性能。

1.2 超导滤波器的结构

超导滤波器一般为平面微带结构。上下层为超导膜，通常为钇钡铜氧(YBCO)或铊钡钙铜氧(TBCCO)，厚约0.6 μm，中间为介质基片(通常为铝酸镧、氧化镁或蓝宝石)，尺寸通常小于50 mm，厚0.5 mm左右。上层超导膜根据滤波器的性能需要加工成所需要的形状。左右两端为电极，如图3所示。

1.3 超导滤波器的性能特点

高温超导材料具有普通金属材料所无法比拟的优异特性。在直流情况下，它能够无阻地传输电流；在微波频段，其表面电阻值比相同温度下普通金属的电阻值低2个数量级以上。因此，用高温超导材料可以研制出带内插损极低且带边陡峭度非常高的滤波器。

图4为超导滤波器与常规滤波器的响应曲线示意图。可以看出，与普通滤波器相比，超导滤波器的带内插损更小，带边陡峭度高。

超导滤波器的滤波性能特点如下：

• 噪声系数极低

普通滤波器系统(滤波器加前置放大器)的噪声系数为3～7 dB，而超导滤波器系统的噪声系数为0.6～0.8 dB，因而超导滤波器系统具有很高的灵敏度。

• 带边陡峭度很高(矩形系数很好)

相对于普通滤波器系统，超导滤波器系统的通带边缘十分陡峭，带边陡峭度比金属滤波器可提高5～20倍。因而，超导滤波器系统具有很好的选择性和抗干扰能力。

• 通带插入损耗小，带外抑制性好

超导滤波器对带内有用信号几乎无损耗地通过，而对带外干扰信号损耗极大,无法通过。

因此，超导滤波器系统可以同时具有高灵敏度和高选择性，是普通滤波器系统无可比拟的。

2 高温超导滤波器的组成及应用技术

2.1 超导滤波器系统的组成

超导滤波器系统主要由高温超导滤波器、低噪声前置放大器、电制冷机和控制系统等组成(如图5所示)。制冷机提供超导滤波器工作所需要的低温(77 K左右)。前置放大器置于77 K左右的低温下，其噪声系数因低温而大幅下降，使整个系统的噪声系数进一步降低。实际的超导滤波器系统一般将所有部件都安装于1个机壳内，有1个微波信号输入口、1个微波信号输出口和1个交流电源插头。因为超导器件是需要工作在77 K以下，其工作离不开制冷机和真空杜瓦(提供其工作所需的低温真空环境),必须以组件的形式在雷达、通讯等电子设备中使用，如图6[2]所示。将由高温超导滤波器、低噪声放大器、控制电路等和小型制冷机组成的组件称为高温超导滤波器系统或超导接收前端。

2.2 超导滤波器系统的应用[3]

常规接收机前端与超导接收机前端原理示意图及其的对比如图7所示。对于由常规滤波器和常温低噪声放大器实现的接收机来说，灵敏度和抗干扰能力要求往往是互相矛盾的。将滤波器置于放大器之前，可以提高接收机抗阻塞干扰和交调干扰的能力，然而常规滤波器的插损将导致接收机灵敏度下降。因此，在常规接收机前端中，通常将低噪声放大器置于滤波器之前，以提高接收机的灵敏度，然而，该配置将导致接收机抗带外干扰能力严重不足。超导接收机前端由超导滤波器、低温低噪声放大器、小型制冷机和控制电路等组成，真空腔体保护超导滤波器和低温低噪声放大器等核心器件工作于77 K(-200℃左右)以下的低温环境中，由制冷机制冷。由于超导滤波器插入损耗极低，可以将其设置在低噪声放大器之前而对噪声系数影响较小；同时由于将低噪声放大器也设置在低温环境下工作，噪声系数进一步降低，因此，超导接收机前端同时具有极低的噪声系数和非常高的频率选择性，将其应用于各种无线通讯、雷达系统的接收机前端，可大幅度地提高灵敏度和抗带外干扰能力，大幅增强各种无线通信和探测系统在复杂电磁干扰环境下的探测通信性能。

从技术角度来看，超导接收机前端的技术门槛较高，除需要高可靠的超导滤波器及低温电子器件外，还必须有高可靠的小型制冷机，还涉及到真空封装技术、传输窗口技术(低温到常温的有效过渡)，以及高效的热设计技术和封装结构设计技术，几者缺一不可。不仅如此，它也给工程应用带来诸多不利因素，必须加以规避：

(1) 开机从常温制冷到低温工作状态需要一个降温时间期(一般需要1 h)，不利于雷达快速响应的使用要求。目前国内某单位通过优化低温集成已把该时间缩短到0.5 h，配以小型UPS电源，可实现快速响应。

(2) 可靠性制约于高可靠制冷机和真空封装。因为一旦低温环境被破坏，超导器件将不工作，整个链路失效不通，失效模式为0和1的关系。

(3) 可维修和可维护性至关重要，原因在于它是机电一体化产品，制冷机为机械件，活塞等是有寿命的，MTBF为20 000 h左右，在15年的产品寿命服务周期内需多次返厂维修维护。因此，工程应用时，厂家的维修保障能力要求比其他产品来说要突出。

(4) 受制于制冷机和杜瓦，体积质量功耗等因素不能忽略(尽管超导器件体积质量功耗很小，可与一元硬币相比拟，但不得不构成组件来应用，制冷机杜瓦等带来的体积质量功耗在有些应用场合不能被忽视。一般超导接收机前端的功耗200 W左右(90%的功耗为制冷机)，体积300 mm×200 mm×250 mm，质量10 kg。

(5) 成本比常规器件的接收机前端高很多，其中制冷机为主要成本，其成本是超导滤波器成本的15～30倍。

3 雷达应用超导接收前端的可行性及其效能分析

3.1 雷达应用超导滤波器可行性分析

目前，从应用超导接收前端的角度分类，雷达有3种收发技术体制，一是发射机采用磁控管、电子管等的非相参技术体制，二是发射机采用行波管、速调管、固态(集中式发射)等的相参技术体制，三是采用分布发射接收通道的有源相控阵(或数字T/R阵)技术体制。

发射机采用磁控管、电子管等的非相参技术体制的雷达，其工作频率本身漂移很大，无法应用超导滤波器，或者说应用比较麻烦(需要滤波器的频率跟着发射机的频率移动)，或者说应用超导滤波器效果不好。另外，非相参雷达价格很低，超导滤波器价格高，从价格的角度考虑也不合适。总之，在非相参技术体制的雷达上应用超导滤波器不合适。

发射机采用行波管、速调管、固态(集中式发射)等相参技术体制的雷达一般有1个接收通道(或称为接收机)到几个接收通道。例如，典型的单脉冲跟踪雷达有3个接收通道，而每个接收通道一般又有十几个到几十个工作频点。这样一部雷达需要用到十几个～几十个超导滤波器，可用一个制冷机给多通道超导滤波器组制冷。目前，已有1个制冷机供16个超导滤波器的样机，从价格的角度考虑可以承受。因此，在相参技术体制的雷达上应用超导滤波器比较合适。

采用分布发射接收通道的有源相控阵技术体制雷达一般有几千到上万个收发单元，如果用超导滤波器，需要几倍到几十倍收发单元数量的滤波器。这首先在价格上不能承受。另外，每个收发单元的尺寸有限，在结构尺寸上也不允许。因此，在有源相控阵技术体制的雷达上目前应用超导滤波器有很大的难度。

总之，鉴于目前高温超导滤波器系统在雷达中的应用还处于起步阶段，价格较高。另外，由于需要制冷机提供超导滤波器工作所需要的低温，体积和质量主要取决于制冷机。目前，制冷机的体积和质量还比较大。因此，目前高温超导滤波器系统适用于接收机是集中式的、接收通道数量较少的、接收工作频率点较少的全相参体制的雷达中。用大量T/R组件的相控阵雷达以及分布式接收多通道的雷达目前应用还比较困难。频率扫描体制的雷达目前应用也比较困难。

目前，高温超导滤波器应用存在的主要问题是成本高。雷达工作频点一般在数十个以上，如果每个频点配一个超导滤波器，滤波器的价格将高于雷达的价格，装备管理部门无法接受这样的现实。为了降低成本，目前国内有科学院物理所等单位正在研制可调谐的高温超导滤波器，但技术还不够成熟。只有VHF到UHF频段的可调谐的高温超导滤波器基本达到了实用要求，并且可调谐的高温超导滤波器的性能没有固定频率滤波器的性能好。

3.2 高温超导滤波器系统在雷达中的应用

高温超导滤波技术在各种无线通信和探测领域均具有十分重要的应用价值。大量相关试验测试和实际应用表明，使用超导滤波器可大幅度地提高多种用途的无线通信探测系统的灵敏度和抗干扰能力，可明显地增强在复杂电磁环境下系统的工作性能。高温超导滤波器在雷达中的应用：

(1) 降低噪声系数，提高接收机灵敏度

由于接收机低噪声放大器放在-200 ℃的低温下工作，可使其噪声系数降低，接收机灵敏度提高。但是，由于高温超导滤波器放在低噪声放大器的前边，增加了插损(较小)，总的效果是比普通的雷达接收机噪声系数略低，接收机灵敏度略高，但改善不大。因此，对雷达作用距离的增加也改善不大。

另外，需要指出的是，具体应用情况还需要作具体分析。一般情况下，雷达的工作频点较多，理应一个频点对应一个超导滤波器。为了减少体积、质量、成本，通常用1个制冷机给多个滤波器制冷。在超导滤波器的电路实现中，在各个滤波器前需加一个电子转换开关。图8为16通道超导接收前端组成示意图。

高温超导滤波器接收前端由一路转多路的电子开关、超导滤波器、低噪声放大器、多路转一路的电子开关、制冷机、控制电路等组成。一路转多路的电子开关也有一个插入损耗和三阶互调的问题。一路转十六路的电子开关插入损耗与工作频率有关，频率越高插损越大。在VHF波段的插入损耗在1.2～1.5 dB。因此，雷达按上述方案加装超导滤波器接收前端后，有可能使接收机噪声系数变大，接收机灵敏度下降，雷达的作用距离也相应下降。

(2) 提高带外抑制能力及雷达抗带外(邻频)干扰的能力

由于常规雷达接收机的带外抑制性能差，在工作时会受到干扰，影响雷达的探测性能，使正常作用距离下降，使用高温超导滤波器后雷达作用距离可恢复到正常值(理论设计的性能)。

• 提高舰艇编队雷达间抗干扰能力

随着同型雷达装备数量的增加，舰艇编队内同型雷达间的同频干扰日益严重。根本的解决措施是编队内同型雷达间工作频点相互错开。但是，即使频点错开，由于接收机前端低噪声放大器是宽开的，干扰信号仍会在接收机前端产生互调、交调和倒置混频作用。接收机混频器中会产生寄生响应，对接收机带内造成干扰。因此，如果在接收机前端低噪声放大器前加一个窄带预选滤波器，对接收的回波信号进行预选滤波，滤除工作频点带外的干扰信号，保证不会因互调、交调和倒置混频作用导致相互间干扰。预选滤波器要求通带窄、矩形度好、插损低，并能够适应雷达捷变频工作，一般常温预选滤波器难以满足这些要求。超导技术的研究发展和工程化应用为解决雷达微波接收机前端预选滤波问题带来希望。

• 提高雷达抗阻塞干扰能力

由于雷达接收机前端是宽开的，在雷达工作频段内任何一个频率的强干扰信号都会对接收机前端造成阻塞，从而无法接收目标回波信号。因此，如果在接收机前端增加一个窄带预选滤波器，对接收机前端进行保护，使接收机前端由宽开变为窄开，避免工作频点带外强干扰信号对接收机前端的阻塞，降低雷达接收机被有意干扰信号或无意干扰信号阻塞的概率，提高雷达抗干扰性能。

• 提高电磁兼容性能

如果能将高温超导滤波器放在舰载雷达发射机输出端，可降低舰载雷达带外信号对其他舰载电子设备的干扰，可提高电磁兼容性能。目前，高温超导滤波器最大可承受的功率是10 W左右，因此只能用在雷达发射机的前级。