超导电子技术在国防工业中的应用需求与应用现状分析.doc

个人收集整理 勿做商业用途高温超导技术 专题超导电子技术在国防工业中的应用需求与 应用现状分析左 涛1 2 ，（ 1 中国电子科技集团公司第 16研究所， 合肥 230043 . ； 2 中国电子科技集团公司 低温电子技术研发中心, 合肥 230043) 。 摘 要： 对超导电子技术的性能优越性及它在国防工业中的应用需求进行了详细论述； 分析了超导电子技术在国内外应用发展的现状及主要差距, 并对超导接收机在探月工程上实现我国的首次工 程应用的情况做了简要介绍。 关键词: 超导电子； 工程应用； 综述; 高温超导 + 中图分类号: O511 。 4 文献标识码： A 文章编号: 1673 5692（ 2010) 05 441 06Review of the App lication of Superconducting E lectron ics in the Defense IndustryZUO T ao1， 2（ 1. The 16th R esearch Institu te of CETC, H efe i 230043， China ; 2 L o te perature E lec tron ics R esearch and D eve lopm ent Center of CETC， H e fe i 230043 Ch ina） 。 w m ,Abstract T he perfor ance of superconduct ing electron ics techno logy and its app lication in the defense : m in dustry are discussed in deta i, and the progress and gaps of dom estic and in ternational research on su l perconducting e lectron ics are surveyed T he first app lic ation o f superconducting rece iv er in Ch in a s lunar . probe prog ra is also introduced briefly m 。 K ey w ord s superconduct ing e lectron ics; eng in eering app lication rev iew; HTS( h ig h tem perature super ： ; conduct iv ity) 站电能输送， 制造超导发电机、 超导磁悬浮列车等， 所 用的材料主要是超导线材; 另一类是超导弱电应用， 主 要是利用超导薄膜或厚膜材料采用半导体光刻加工工 艺来制作高灵敏度微波电子器件或者约瑟夫森结型器 件。本文涉及的是超导弱电应用 (超导电子技术 )。 超导电子技术有两大特点： 其一， 超导电子器件 工作环境必须是低温， 所以超导电子器件应用始终 与能工作于低温下的半导体微波电子器件 （ 称为低 温电子器件, 例如低温低噪声放大器 ） 及冷源 ( 例如 小型斯特林制冷机 ） 是分不开的， 三者是一个有机 整体， 以组件或小系统的形式在装备上使用.其二, 超导电子技术在极高灵敏度接收与探测, 以及极优 抗干扰能力方面具有传统电子技术无法比拟的性能0 引言超导现象是 20世纪最伟大的发现之一： 即当温 度降低到某一温度以下时， 超导体的电阻 (损耗 ） 会 突变为零。该温度点称为超导转变温度， 不同的超 导材料具有不同的超导转变温度.习惯上称转变温 度高于 77 K （零下 196 15! ）的材料为高温超导体， . 低于 30 K的为低温超导体。除了零电阻以外， 超导 体还具有完全抗磁性 （麦斯纳效应 ) 和约瑟夫森效应。 这些奇妙的特征使超导应用具有独特的优势。 超导应用主要分为两大类， 一类是超导强电应用, 比如, 利用零电阻特性把超导材料制成导线用于发电收稿日期： 2010 08 26 修订日期： 2010 10 02442 优势， 对新技术武器的性 能有很强的提升 能力, 例 如， 超导接收机 ( 组件 ） 能显著增加雷达系统在强干 扰下的探测距离, 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； 在空间通信上应用可减少 50 以上的载荷需求。 自 1987年发现高温超导材料以来, 美欧等国在 国家战略层面上进行了大量的投入和研究, 20世纪 80年代美国就已将超导电子学列为五大军事电子 学之一， 90年代, 美欧等国又将超导列为 21世纪国 防关键技术 。到目前为止, 超导电子技术已在信 息对抗 ( 通信对 抗和雷达 ) 、 超远 距雷达、 警、 预 制 导, 以及深空探测等诸多对灵敏度和抗干扰能力要 求很高的领域得到了广泛应用, 部分产品已经形成 了小批量规模。例如美国海军 宙斯盾 舰艇及空 军的飞机上已安装了超导接收组件, 自 1995年起已 投入战场使用。美国 爱国者 导弹上已使用了超 导电子器件, 用于探测敌方的导弹。近年来, 在美国 空军 ALR- 74和海军 AN /WLR - 11预警接收机的雷 达系统上, 在舰载多普勒雷达上, 以及在超视距的舰 载地波雷达接收机中都装配了超导滤波器等部件。 超导新技术使现代武器性能提高到了一个新的水平。 发展超导电子技术也符合我国军事新技术发展 战略需求， 例如, 在太空或深空领域, 超导 （低温 ） 接 收机是深空探测的必需技术； 在电磁领域， 超导接收 机可大大提高雷达对抗和通信对抗设备的灵敏度和 抗干扰能力; 在海洋领域, 超导 SQU IDs探 测器 （ 超 导量子干涉仪 ）是探测潜艇的革新技术等。 我国科技界 （科学院系统和重点高校 ） 长期以来 也非常重视超导电子技术研究, 制定了相应的发展规 划, 并取得了一定的成绩， 但大量的是基础研究和演 示验证工作, 应用水平过低。到目前为止, 国防应用 只有中国电科 16所在 2010年抓住探月二期工程的 机会， 首次实现了以超导滤波器为核心的高灵敏度超 导接收机, 将在正在建设的深空测控站上的装备使用, 超导电子技术在雷达、 预警、 制导、 电子对抗等诸多应 用领域还未实现工程应用, 对我国来说几乎还是一个 全新的技术， 与欧美等国相比， 已有 15 20年的差距。 12010年第 5期机前端， 信道化超导接收机或接收机前端。核心部 件有超导滤波器或超导频分器 （ 多路器 ） 、 低温低噪 声放大器、 低温微波限幅器, 以及小型制冷机等， 装配 在武器系统的接收端完成对微弱信号的高灵敏接收。 超导接收机或前端在高灵敏度和高抗干扰能力 方面的优势， 主要体现在两个方面。 一是超导几乎是无损的， Q 值极高， 利用超导材 料制作的滤波器的边带陡峭度、 带外谐波和杂波抑 制能力远非常规滤波器所能比； 超导滤波器插入损 耗很小 （ 10 dB 100 GH z 超导 （ 低温 )电子器件 T am p = 6 K T am p = 9 K T rev = 10 K T rev = 15 K 60 dB /MH z 1 000 GH z1 超导电子技术的优越特性和需求分析超导电子技术体现独特性能优势的应用主要有 两大方面： 一是高灵敏度和高抗干扰能力信号接收 方面, 二是高灵敏度探测方面。 第一方面的典型产品主要是超导接收机或接收图 1 超导滤波器和常温滤波器的 频率选择性比较2010年 第 5期左涛： 超导电子技术在国防工业中的应用需求与应用现状分析443从系统角度来看， 高抗干扰能力和高选择性的 超导接收机若用在测控和通信系统上将大大提高测 控和通信的距离和精度； 用在雷达系统上可增加探 测距离, 用在导弹制导上可提高制导精度等.国内 某整机所所做的演示验证对比试验图如图 2所示， 在强干扰情况下， 传统接收机几乎无法辨别航迹, 而 使用超导接收机后， 雷达屏幕可以清楚地分辨出飞 机航迹。术在武器系统上应用的部分核心能力, 这引起了整机 用户单位极大的需求愿望, 强烈希望尽快推动以超 导滤波器、 频分器为核心的高灵敏度和高选择性接 收组件和以超导 SQU IDs有源器件为核心的高零度 超导探测器件在国防领域的应用， 以提升武器装备 性能, 快速缩短与欧美强国之间的差距。 超导技术的目前已有明确的工程需求领域如下。 （ 1)新技术雷达 新技术雷达用超导限幅滤波放大接收组件装备 于超远探测距离雷达, 满足新技术雷达在极端复杂 电磁环境下对接收机的高灵敏度和极高抗干扰能力 的需求, 在大大降低新技术雷达的发射功率的同时 增加雷达的探测距离 4， 提升其战场生存能力。图 2 超导接收机与常规接收机的性能对比( 2)电子侦察领域 目前， 地面电子侦察系统的频率范围为 0 5 GH z . 40 GH z以上。在一些复杂的电磁频段, 例如在 L 波段 （ 800MH z 1 200MH z）, 大量的电子设备 （ GS CDMA M、 的基站和手机终端等 ） 都工作于这个频段， 对电子侦 察 （听 )系统的干扰很大, 以致其无法工作。为提高电 子侦察系统的抗干扰能力, 需要把这一频段划分成一 序列带宽很窄的信道， 实现信道化接收.这就需要采 用一组由极窄带宽和极高频率选择性的滤波器 （ 例如 要求滤波器 Q 值 100 000 典型带宽为 20MH z 矩形 , , 系数 1 2)组成的频分器件.目前常规滤波器还不 . 具备这样高的 Q 值, 而且在 L 波段波导滤波器及系 统无法使用。因此, 以超导频分器为基础的超导信道 化组件用在电子侦察等武器装备的信道化接收机上, 能大幅度提高接收系统的灵敏度、 信噪比和抗干扰能 力, 解决采用常规技术所面临的工程难题。 ( 3)通信及通信对抗 利用以超导滤波 ( 陷波 ) 器和低温放大器为核心 器件的高频率选择性超导接收组件, 在通信和通信对 抗领域应用, 实现对特殊频带 （点 ）的选择和陷波。 ( 4）远距离测控 （ 包括深空探测 ) 在远距离测控领域， 接收的信号电平非常弱, 信 号的延时很大。为提高接收机接收微弱信号的能力 即灵敏度, 一个途径是增大天线接收面积， 但大口径 天线制造成本很高而且难度非常大， 且增大尺寸始 终有限; 另一最有效途径就是通过制冷降低接收机 前端组件的噪声温度, 并通过采用高选择性的超导 滤波器， 抑制带外的干扰信号， 提高复杂电磁环境下 或多频段共用天线下接收机的抗干扰能力。因此， 以超导滤波器和低温放大器为核心器件超导接收前 端组件在远距离测控领域具有传统常温接收组件无超导接收机或接收前端组件技术在欧美等国已 经工程化应用 15年以上， 以下是国外研究机构所报 道的一些对比数据， 超导电子技术在高灵敏度和高 抗干扰能力方面对武器系统的性能有很强的提升能 力， 由此可见一斑。 （ 1) 美国 Northrop Gru an 公司的报告表明， mm 预警飞机的雷达由于使用高温超导接收机等, 其探 测能力提高了 20 dB （ 100倍 ）； 在飞机上由于使用超 导接收机, 其探测距离增加了 3倍 2.( 2) 以高温超导滤波器为核心的高灵敏度超导 接收组件可以使接收信号的地域覆盖范围比普通接 收机增大 30 50 倍， 特别是在强噪 声强干扰背景 下， 超导接收组件能显示出更大的优越性 3。( 3) 新一代超导雷达 （ 其天线、 发射机、 收信机、 稳频源、 信号模拟器、 滤波器等电子器件全部是采用 高温超导材料制作而成的 ） 可使雷达频谱扩展 166 倍, 作用距离提高一个数量级， 而且可探测到极其微 弱的信号， 同时也提高了系统的生存能力。 ( 4） 将高温超导接收机应 用于制导, 可以将导 弹的抗干扰能力和制导精度提高一个数量级。 超导新技术使现代武器性能提高到了一个新的 水平。从发展 趋势来看， 在今后至少 20 年的时间 内, 越来越多的超导电子新技术产品将在武器装备 上应用。 在国内, 部分超导器件的研制技术水平接近国际 先进水平， 但应用水平过低。直到 十一五 末期, 中 国电科 16所抓住探月工程的机会， 在国内首次实现 了以超导滤波器为核心的极低噪声超导接收前端组 件在深空站上的应用, 初步形成了推动超导电子新技444 法实现的高灵敏度和高选择性等性能的优势。 （ 5） 空间通信 由超导滤波器、 低温低噪声放大器集成所构成 的单路或多路超导滤波放大组件具有传统器件无法 比拟的高灵敏度 （ 低噪声 )和选择性等优点, 其与小型 星载斯特林制冷机构成低温接收机前端系统， 装配在 卫星或航天飞行器上, 与传统信道化接收机相比, 具 有显著的性能： 可大大减少载荷; 卫星接收灵敏度提 高 10 100倍和选择性很好, 抗干扰能力强等优势。 这主要基于超导滤波器的良好频率选择性, 与 传统滤波器件相比, 超导滤波器可大大提高对带外 杂波干扰和各次谐波的抑制能力。 超导电子技术体现独特性能优势的第二大方面 是在高灵敏度磁场探测领域。其核心是超导量子干 涉仪器件 ( SQU I s）, SQU IDs的机理是基于超导体 D 所独有的约瑟夫森效应 ( 也叫超导量子隧道效应 ） 。 是目前能测量弱磁场的手段中最灵敏的磁测量传感 器, 该磁场传感器与信号读出电路控制电路等外围 电路构成探测器， 能够探测到 10- 132010年第 5期探测能力.并能提供对低特征目标的探测能力.2 国内外发展的现状及差距基于第一部分分析， 超导电子技术对武器系统 的性能有很强的提升能力, 它也一度被誉为是引领 21世纪战场的关键技术之一。 自 1987年发现高温超导材料以来， 美欧等发达 国家 （ 包括以色列 ) 便已先后进行了大量的有关超 导电子器件在军事应用上的空间环境和地面应用试 验, 典型的一些应用研究如下。 1988年, 在美国防部 ( DARPA ) 的支持下， 海军 实验室 （ NRL ) 启动了高温超导空 间试验 （ HT SSE ） 计划, 该计划总共分为三期, 证明了高温超导器件与 系统在未来空间应用中的诱人前景。 20世纪 90年代中期针对电子战应用， 在 DAR PA 支持下启动了超导在数字电子战系统中的应用 研究， 将超导器件与先进的低温半导体技术结合, 形 成崭新概念的电子战系统。 欧共体支持了多项超导研究, 其中德国在国家 教育与科研部支持下单独启动了欧洲最大的高温超 导研究 计划: 超导 体和 陶 瓷在 未 来通 信 中的 应 用 。目标是针对 高温超导卫星通信中的应用, 研 究 C# 波段卫星接收前端超导预选滤波器、 超导输 入多路器 （ I UX ）和输出多路器 ( OMUX ）, 开发卫星 M 通信的超导转发器， 已与 2001年提交欧洲空间组织 （ ESA ） 的 ISSALPLA 空间站装配使用. 到目前为止, 欧美发达国家及日本、 以色列等已 有将超导电子技术用于军事用途的报道.美国军方 每年购买上亿美元的超导接收机用于军事目的， 目前 器件已经形成了小批量规模。例如美国海军 宙斯 盾 舰艇及空军的飞机上已安装了超导器件, 自 1995 年起已投入战场使用.美国 爱国者 导弹上已使用 了超导电子器件, 用于探测敌方的导弹。近年来， 在 美国空军 ALR 74和海军 AN /WLR 11预警接收机 的雷达系统上, 以及在舰载多普勒雷达上和在超视距 的舰载地波雷达接收机中都装配了超导滤波器部件. 在今后 10 20年的时间内, 超导电子技术在欧 美发达国家仍会受到足够的重视， 越来越多的超导 电子器件将会在雷达、 电子对抗、 军事通信和导弹制 导等各个领域得到广泛应用。 综上所述, 超导电子技术一度被誉为引领 21世纪 战场的核心技术之一。目前我国在超导电子器件的工 程化应用方面与国外相比， 落后约 15 20年, 还处于起T 的磁场信号，其灵敏度比常规探测器件高上千倍, 它在弱电磁检 测领域具有不可被替代的优越性， 比如军事上可用 于潜艇探测等， 这是因为海军为了提高水雷的效能 和保护舰艇的安全航行, 灵敏的 SQU ID磁强计就是 高效的引信和护身符。在离舰艇 1倍船宽距离处， - 6 - 6 舰艇的磁感应强度大约为 1 ? 10 5 ? 10 T, 相 当于地球磁场磁感应强度的 1 / 50 1 /10 。随着距 离的增加, 舰艇磁场急剧衰减, 在舰艇 5倍船宽距离 处, 舰艇磁场的磁感应强度只有 20 ？ 10 100 ? 9 10 T.在离舰艇 10 倍或 20倍距离处, 舰艇磁场- 9非常非常微弱， 这正 是 SQU I 磁强 计大显 身手的 D 地方。 以 SQU ID为核心部件的高温超导红外探测器, 其灵敏度比常规探测器高上千倍， 对磁场和电磁辐 射极其敏感, 是太空探索和军事遥感侦察的理想设 备.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、 军事光学、 航天器的相控阵天线、 反潜武器和水雷探测等领域. 目前国外研制并正在装备使用的微波和毫米波 探测器、 磁探测器等超导探测器, 不仅尺寸小、 重量 轻、 作用距离远、 探测灵敏度高, 而且具备一般可见 光和红外探测系统所不具备的全天候及穿透烟云的2010年 第 5期左涛： 超导电子技术在国防工业中的应用需求与应用现状分析445步阶段， 但已逐渐从战略的高度上重视其军事应用. 发展超导电子技术也符合我国军事新技术发展 战略需求, 即在太空或深空领域, 超导 （低 温 ） 接收 机是深空探测的必需技术; 在电磁领域, 超导接收机 可大大提高雷达对抗和通信对抗设备的灵敏度和抗 干扰能力， 是提升电子对抗水平不可或缺的技术; 在 海洋领域， 超导 SQU I s探测器是探 测潜艇的革新 D 技术等。 我国在低温 ( 超导 ） 电子的基础性研究方面一 直处于国际前列， 在超导器件的研制方面， 正在跟进 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 ( 低温 ) 电子新技术应用到武器系统以提 高现实战斗力方面, 相对发达国家来说, 已经明显滞 后, 大约有 15 20年的差距。工程化应用水平太低 已成为了 我国超导 ( 低 温 ) 技术发 展的瓶颈 问题. 到目前为止， 仅仅只有中国电科 16所针对探月二期 工程率先实现了 超导电子产品在我国深空站 S /X 两个频段的首次工程应用. 造成工程化应用水平过低这一瓶颈问题的主要 原因有以下两点: ( 1） 缺乏国防工业中代表国家水平的超导电子 新技术研发基地。 造成超导电子在我国工程上应用严重落后局面 的原因是多方面的, 除经费投入少、 工艺装备水平相 对落后以外， 其中一个重要原因就是没有一个在国 防工业中代表国家水平的低温电子研发基地, 没有 形成相应的有较强辐射力的重点科研基地， 缺乏稳 定的强有力支持以形成系统性的研发能力.目前， 除中国电科 16所这一惟一工程研究所以外, 超导电 子技术研究机构主要集中为国内的一些重点高校和 科学院研究所， 而这些机构缺乏工程化应用研究的 经验和条件， 致使成果转化和工程应用研究力度不 够, 而且致使国内培养的从事低温电子应用研究的 中青年人员大量流向国外, 供职于欧美的军方和准 军事研究机构， 他们的研究工作对外严格保密, 这对 国内应用研究无疑是一个重大的损失. 近年来针对军事应用的低温电子器件与系统, 国外在军方的大力支持下正在加紧进行, 对我实行 严格保密; 在商业上， 低温电子产品研发处于商业保 密阶段， 在关键技术上发达国家对我实行封锁。因 此， 在已经建设完成的中国电子科技集团公司低温 电子集团公司低温电子技术研发中心的基础上， 打 造国家级的超导电子研发生产基地 是非常有必要 的， 利用该平台吸引和留住优秀军事科技人才， 形成合力, 尽快推动超导电子新技术在我国的应用进程。 ( 2)需要系统性的研制条件和研发能力。 超导器件工作离不开低温环境， 而且其应用往 往与低温电子器件 （ 如低温低噪声放大器 ） 是分不 开的, 因此, 超导电子技术主要是以组件的形式在装 备上使用。其中超导器件是核心， 而小型长寿命制 冷机和低温电子器件是关键支撑技术, 三者为一个 有机整体， 缺一不可。若要推动超导电子新技术获 得应用， 需同时掌握超导电子器件研制技术、 制冷技 术、 低温电子器件 研制技术， 以及低温封装 集成技 术， 目前只有中国电科 16所具有超导 ( 低温 ) 电子 器件研制、 制冷和低温封装的独特技术优势， 但现有 的工艺和设备条件较差, 缺乏系统性的工艺和设备 保障条件， 致使现有产品尽管离武器装备使用要求 还有一段距离， 主要体现在以下几个方面: 武器装备要求 MTBF 要达到 5 W 小时， 因为工 艺原因， 只能保证 1 W 小时。 承载功率需要由目前的 3W 提高到 30W， 涉及 到功率非线性控制技术, 大面积均匀性很好的镀膜 技术等。 目前制冷时间约 40 m in 达不到武器系统快速 ， 响应技战术要求 （约 10 m in）, 主要缺乏大冷量制冷 机和高效的低温集成工艺技术。3 探月工程 超导电子技术的首次工 程应用实践对于远离地球几十万公里以上的绕月卫星和其 他更远的星源, 其微波信号在自由空间损耗远高于 中低轨道卫星和地球同步轨道卫星， 必须采用具有 极低噪声温度的低温接收机, 以提高接收系统的灵 敏度。在深空探测领域中， 用常规器件已无法实现 对微弱信号的接收和极低噪声放大, 国内外均采用 了超导 (低温 ） 电子的技术和方法完成对太空信号 的接收和放大, 其中高灵敏度超导 （ 低温 ) 接收机是 测控系统的核心部件。目前我国的月球探测和火星 探测计划早已启动。在探月一期工程中， 测控主要 借助天文观察网和航天测控网来完成的。在探月二 期工程中， 我国将建立自己的深空测控网, 而灵敏超 导接收机是深空测控网的核心组件之一。 在探月一期工程中, 研制了 S /X 波段低温接收 机， 用于测控系统 VLB I测轨分系统， 于 2007年 10 月投入使用， 并取得成功。它是国内惟一自主研发 的低温接收机, 由制冷机与杜瓦系统、 低温低噪声放446 大器和隔热低损耗传输线构成， 其原理是把低噪声 放大器制冷到 20 K 左右的温度以降低放大器件的 噪声实现高灵敏度接收， 如图 3所示, 该低温接收机 安装在天线馈源处。2010年第 5期而且尺寸很小， 如图 4所示， 可以与低噪放直接连接 都安装在制冷机的二级冷头 ( 77） 上, 因此可大大降 低接收机的噪声温度， 且一台制冷机至少可以集成 2路接收通道。因此， 在探月二期工程即将建立的 深空测控站上将采用自己研制的超导接收机, 该产 品由低损耗隔热传输线、 超导滤波器、 超导谐波滤波 器、 超导定向耦合器、 低温低噪声放大器以及制冷机 杜瓦系统和监测、 控制单元组成， 如图 5所示。图 3 16所为探月一期工程研制的 高灵敏度低温接收机在探月二期工程中， 深空测控站采用收发一体 的体制, 接收机内低噪声放大器之前需增加滤波器 以抑制发射频段的泄漏功率。超导滤波器不但性能 指标要比波导滤波器高很多 (插损: 0 04 dB； 阻带 . 抑制： 110 dB; 回波损耗: ? - 25 2 dB 且不调谐 ）， 。 , 5图 4 超导滤波器样品及设计、 测试曲线比较图 5 超导接收 机组成结构示意图 opment D epartment o f D enfense P erspec tive R . 1995 : 。4 结语 4 DOW CH I N I H U，et a.l A n X Band F ront End M odu leU sing HT S T echn ique fo r a Comm ercia lD ua lM ode R adar 探月工程超导接收机项目将实现超导电子技术 在我国重大工程上的首次工程化应用， 在超导应用 研究领域具有里程碑式的意义， 同时该项目解决了 超导技术一系列关键技术， 如超导滤波器的工程化 可靠性保障技术; 超导器件的功率耐受性及功率线 性技术； 超导电性的慢退化控制技术等， 这些关键技 术的突破为推动超导电子技术在我国电子对抗、 雷 达和通信等领域的工程化应用奠定了坚实基础。 参考文献： 1 美国国防部. 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