电子器件论文

超导器件

摘要：对超导器件在国内外军事领域上的研究和应用进展进行了综述，分析了目前我国超导器件研制以及在武器装备上应用所面临的主要问题，提出了解决的办法。

关键词：超导；军事应用

科学发展史表明，一种新型材料的发现，将产生一系列的应用技术并推动相关的学科向前发展，而且其应用一般首先是从其军事应用开始的。1987 年发现的高温超导材料，把超导体的转变温度由液氦提高了液氮温度以上，大大降低了超导器件的运行成本，使得其在工程技术领域上的广泛应用成为了可能；到目前为止，全世界至少有 200多个科研单位和企业正在从事超导技术的研究，尤其是在军事应用领域，其角逐如火如荼。

由于超导材料在射频和微波波段内的表面电阻率比铜的要低 2 — 3 个数量级，射频损耗几乎可以忽略不计，因此采用超导材料研制的微波或者毫米波器件具有传统器件所无法比拟的性能优势，比如：高温超导滤波器具有极低的插人损耗和极优的频率选择性而且兼有平面器件小型化的优点，若把超导滤波器用于武器装备的接收机前端上，能大幅度提高接收系统的灵敏度、信噪比和抗干扰能力；还可增加雷达系统的探测距离，加长预警时间，增加通信系统的通信距离和抗干扰能力，提高导弹系统的制导精确度。超导滤波器是目前在军事上应用领域最广泛的器件，也是研究最为成熟的器件之一；高温超

导多工(路)器应用在通信卫星上可减小其 50％以上的体积和重量；高温超导延迟线、高温超导开关滤波器组在雷达和电子对抗领域有着重要的应用价值等等。

基于约瑟夫森效应的超导量子干涉器件(SQUIDs)是目前能测量 弱磁场的手段中最灵敏的磁测量传感器，其灵敏度比现有其他器件都要好2 ～ 3个数量级 。它在弱电磁检测领域具有不可被替代的优越性，比如可用于包括飞机部件、涡轮发动机叶片和材料微铁颗粒杂质 的检测，军事上可用于水雷和远距离探潜等等 ；高温超导红外探测器的灵敏度比常规探测器的高上千倍，它对磁场和电磁辐射极其敏感，是军事遥感侦察的理想设备。其主要有天基凝视红外焦面阵列探测器、微波和毫米波探测器、磁探测器等，具备一般可见光和红外探测系统所不具备的全天候及穿透烟云的探测能力，并能提供对低特征 目标的探测能力，可广泛应用于天文探测、光谱研究、远红外激光接收、事光学、航天器的相控阵天线、反潜武器和水雷探测等领域。此外，超导器件在计算机中应用可使器件的开关速度比现有半导体器件快2 ～ 3个数量级；超导计算机若应用军队指挥自动化技术系统(c。 I)，可使作战指挥能力迅速得到改善和提高。

鉴于此，超导技术一度被誉为引领2l 世纪战场的核心技术之一， 谁率先掌握它便会在未来可能的战争中获得主动权；欧美强国正在进行激烈的角逐，超导器件的军事应用研究可谓炙手可热；超导电子学也成为了低温电子学最重要的分支。

二十世纪八十年代，美国就将超导电子学列为五大军事电子学之

一。九十年代，美国又将超导列为二十一世纪国防关键技术，其中超导技术为其研究开发的主要方向。随着超导技术的发展，高温超导器件(如滤波器、延迟线等) 、超导组件(8路、2O路信道化组件)和超导子系统(信道化组件与低温放大器等的组合)的应用研究取得极大突破，目前国外已将高温超导微波接收机广泛应用于雷达、军事通信和导弹制导等方面，使现代武器装备的性能提高到了一个全新水平。 早在发现液氮温度高温超导材料的第二年 (1988年)，美国便以 Naval Research Laboratory (NRL)牵头雄心勃勃地提出了高温超导空间实 验计划(H TSSE)，旨在全面开展超导器件在卫星、雷达上应用的研究。 在空间通信和数据传输领域，以高温超导滤波器和低噪声放大器为核 心的“低温接收机前端”被美国宇航局(NA A )作为实现21世纪战略目标的关键技术之一，美国也进行了大量的研究和试验。例如，由N ASA组织，在DA RPA、技术创新计划(TRP ) 、加拿大空间组织 (CSA )和国防部 (DND )资助下，通信发展有限公司(COMDEVLID)、DuPont公司等组成集团，根据 INTELSAT一 8 通信卫星的技术要求，研制 了一个 60信道的HTS输入多路器组件，该组件工作在C 段，由l0阶相位自均衡超导滤波器、低温下工作的环形器和隔离器以及两台小型化脉冲管制冷机构成。在电子对抗、雷达和制导技术等应用领域， 美国已经也进行了大量的研究，在一些关键的组件或器件(例如下变频接收机组件)，开关(滤波器) 陷波器组、延迟线、可调滤波器组等等上都取得了卓有成效的成果。比如美国喷气推进实验室制作含有超导子系统的下变频接收机，其工作频率为7. 5G H z，带宽300 M H z，

噪声系数仅有0.7dB，尺寸大小仅为17×8×2．5cm，据相关报道，该装置显著地提高了巡航导弹制导系统的性能；美国STI公司研制 出了一套高温超导开关滤波器 (陷波器)组，该滤波器组由几十个超导带阻滤波器组成，所控制的频带从 8.5G Hz到10.5G H z。这套系统是作为雷达抗干扰的重要部件，可以根据电子对抗瞬息万变的实际情况，用光纤和光学开关控制滤波器的通一断，实现阻带快捷跳变， 在机载预警雷达中发挥了十分重要的作用。

与美国、欧盟部分国家相同，以色列在超导技术的军事应用领域也开展了大量的研究工作，据报道近年来它已进行了高温超导滤波器等超导器件的卫星飞行试验，已经将高温超导技术用到了侦察卫星、 深空探测以及预警雷达上了。早在1998年，以色列便进行了超导薄膜在太空长时间、长周期的性能稳定性试验，该试验的结果完善了美国的H TSSE计划所获得的成果。试验所采用的是外延生长的Y BCO 薄膜，厚度为300nm，衬底为MgO单晶，并采用干法刻蚀制作出了40微米宽、500微米长的微桥。加工完成的样品其转变温度为90K ， 84K时的临界电流密度为1M A／C1TI 。该样品搭载是TECHSAT 一Ⅱ卫星，采用的制冷机为Ricor K508(冷量：0．5W @ 77 K ；功耗 ： 12W )。测试结果显示：在长时间周期的太空环境下，超导样品的临界电流密度没有发生任何变化，其转变温度略有变化(约0．5K ／ 年)。

值得一提的是，与中国同样作为一个发展中国家，印度在追寻自己的航天大国梦时，非常重视超导技术的应用研究。例如，在2002 年，

印度进行了与超导有关的卫星项目，该项目由印度空间应用中心主持，目的在于用超导滤波器取代通信卫星有效载荷用的常规同轴金属滤波器。该c波段超导滤波器采用的是平行耦合线结构，阶数仅为4 阶，带宽为40M Hz，插损 0.5dB，反射损耗约-10dB。

当然，日本、俄罗斯及韩国等也在超导技术的军事应用领域做了大量的研究工作，部分国家已经有相应的超导器件在军事上得到应用。日本政府和工业部门大力支持超导技术研究与开发，其投资强度与美国相当。其中日本国际超导技术研究中心(ISTE C )等机构将高速超导数字器件与电路以及超导在通信方面的应用作为其研究开发重点；1997年日本高级通信技术公司(AMY-EI)就启动了超导在移动通信系统中应用研究开发计划。韩国在超导技术方面的研究开发工作得到政府(信息与通信部、科学技术部等)和工业集团(如LG等)有力支持。九十年代以来取得很大进展，通信应用也是其研发重点。

总体来说，在高温超导的基础性研究方面我国一直处于国际前列，在超导器件的研制方面尤其是超导滤波器，我国已经接近甚至部分达到了国际先进水平；但在工程化应用方面，尤其是在军事上把超导器件(如高温超导滤波器等)应用到武器系统以提高现实战斗力方面，我们相对发达国家来说，研究已经明显滞后。目前我国的主要科研力量集中在地方的一些重点高校，其研究大多很难直接与军事应用相结合，研究成果也不能迅速转化为战斗力。而在我军内部从事超导研究的单位很少，超导人才更是奇缺，这是造成工程应用滞后的重要原因。目前，超导器件的研制力量主要集中在一些重点高校和研究所：

如中国科学院物理所，南开大学电子系，清华大学物理系，北京大学， 南京大学，电子科技大学以及中电集团公司16所等。

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