自人類(lèi)存在以來(lái)，通信就是人類(lèi)溝通的重要手段。在尚未出現(xiàn)文字的遠(yuǎn)古時(shí)期，人與人之間用動(dòng)作與表情傳遞信息。在人類(lèi)創(chuàng)造文字后，孕育出多種信息傳遞的方式，如古代的書(shū)信文函、烽火臺(tái)、擊鼓鳴金、旗語(yǔ)等。古代的遠(yuǎn)距離的通信，最快也需要幾天的時(shí)間。進(jìn)入19世紀(jì)后，人們?cè)噲D使用電信號(hào)進(jìn)行更加高效的通信。19世紀(jì)30年代出現(xiàn)的電報(bào)通訊，是最早應(yīng)用于電通信的手段。1880年世界上第一次無(wú)線電對(duì)話標(biāo)志著無(wú)線電遠(yuǎn)距離通信的誕生。隨著電磁學(xué)與材料學(xué)的發(fā)展，無(wú)線通訊系統(tǒng)日益發(fā)展，超導(dǎo)無(wú)線通訊相比傳統(tǒng)的無(wú)線通訊，有著更遠(yuǎn)的傳輸距離，更低的傳輸損耗，在雷達(dá)制導(dǎo)、天文探測(cè)等尖端領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用背景。

　　超導(dǎo)現(xiàn)象最早可以追朔到20世紀(jì)初。1911年，荷蘭物理學(xué)家H.K.Onnes發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)中將水銀的溫度降到4.2 K左右時(shí)其電阻會(huì)急劇下降，直至電阻為零，超導(dǎo)的研究由此展開(kāi)。除了零電阻特性以外，德國(guó)物理學(xué)家W.Meissner和R.Ochsenfeld在1933年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)材料還具有完全抗磁性，即超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，這一性質(zhì)又被稱(chēng)做邁斯納效應(yīng)。科研工作者將某些材料在特定條件下同時(shí)具有零電阻特性和邁斯納效應(yīng)的現(xiàn)象稱(chēng)為超導(dǎo)電性，具有超導(dǎo)電性的材料稱(chēng)為超導(dǎo)體材料。

　　1986年以前，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度Tc均小于23K，過(guò)低的轉(zhuǎn)變溫度使得制冷難度極大，相應(yīng)成本極高。但是在1987年，中國(guó)科學(xué)家趙忠賢等人發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)變溫度超過(guò)90K的超導(dǎo)體，從此進(jìn)入了液氮溫區(qū)的時(shí)代。

　　如何將超導(dǎo)材料應(yīng)用于無(wú)線收發(fā)領(lǐng)域，科研工作者將目光投向了YBCO超導(dǎo)薄膜材料(圖1)。目前使用最多的是Bi、Y和Tl三系超導(dǎo)材料。YBCO超導(dǎo)薄膜轉(zhuǎn)變溫度Tc較高，約為92K，且相比于Bi制造成本要低，相比于Tl不易揮發(fā)，這給YBCO超導(dǎo)材料的應(yīng)用帶來(lái)了極大的便利。除了轉(zhuǎn)變溫度適宜以外，YBCO超導(dǎo)材料還十分契合無(wú)線通信中的通信頻段條件。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，隨著通過(guò)超導(dǎo)體電流頻率的提高，超導(dǎo)體的表面電阻會(huì)逐漸升高，在100GHz左右其電阻反而會(huì)超過(guò)Cu等金屬材料(圖2)。但是在30GHz以下的頻段，YBCO材料的表面電阻比普通金屬Cu低3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)導(dǎo)體，這一卓越的微波性能為其在無(wú)線領(lǐng)域里的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

　　在無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)中，天線接收來(lái)自發(fā)送端的微弱電磁信號(hào)，濾波器濾除雜波，使加載著信息的復(fù)合信號(hào)得以通過(guò)接收系統(tǒng)，進(jìn)入到下一級(jí)信號(hào)放大系統(tǒng)中。在微波波段，用YBCO超導(dǎo)材料制成的天線可使用于天文探測(cè)，雷達(dá)對(duì)抗等領(lǐng)域。在電路特性上，超導(dǎo)天線具有插入損耗低、表面電阻極低等特點(diǎn)，在傳輸特性上具有方向性好，輻射增益高等特點(diǎn)。在同等尺寸下，超導(dǎo)天線的最遠(yuǎn)傳輸距離是普通天線的2-3倍，目前已知應(yīng)用微型超導(dǎo)天線的是導(dǎo)彈制導(dǎo)，在導(dǎo)彈上加載小型低溫制冷機(jī)為超導(dǎo)天線提供環(huán)境，使得導(dǎo)彈可在以導(dǎo)彈為圓心的300m范圍內(nèi)進(jìn)行精確打擊。同樣是YBCO超導(dǎo)材料制成的濾波器，其電路特性上，有著插入損耗低、可實(shí)現(xiàn)極窄帶寬等優(yōu)點(diǎn)。在同等尺寸與技術(shù)下，其帶寬比普通濾波器低：普通濾波器的3dB相對(duì)帶寬在1%的情況下，超導(dǎo)濾波器大概在0.3-0.5%，更低的通頻帶意味著可以將頻段分的更細(xì)，可以顯著減少來(lái)自其他信號(hào)的干擾;超導(dǎo)濾波器的3dB矩形系數(shù)比普通濾波器更優(yōu)，帶邊陡度更陡，對(duì)帶外干擾信號(hào)能起著更好的抑制作用。

　　在歐美等先進(jìn)國(guó)家，大約一萬(wàn)個(gè)通訊基站已經(jīng)開(kāi)始使用超導(dǎo)收發(fā)組件。在國(guó)內(nèi)，超導(dǎo)濾波器正逐步擴(kuò)大應(yīng)用，其理論體系也日趨完善，而超導(dǎo)天線研究者甚少。在超導(dǎo)材料應(yīng)用方面，目前除了軍工，還沒(méi)有大規(guī)模的應(yīng)用。制約超導(dǎo)材料應(yīng)用的一是加工工藝，在現(xiàn)有的光刻工藝下，YBCO薄膜的最大尺寸僅為3英寸。二是環(huán)境溫度，制造液氮環(huán)境只是相對(duì)簡(jiǎn)單，目前絕大多民用企業(yè)尚不具備制備液氮的條件。但是我們可以預(yù)見(jiàn)，隨著科技的進(jìn)步，工藝的成熟，超導(dǎo)材料必將代替普通金屬材料，成為無(wú)線通信中的主力軍。

　　《超導(dǎo)材料在無(wú)線收發(fā)組件中的應(yīng)用》來(lái)源：《電子世界》，作者：張戈戎

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