一、高溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用
       超導(dǎo)，全稱超導(dǎo)電性，是20世紀(jì)最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，指的是某些材料在溫度降低到某一臨界溫度，或超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下時，電阻突然消失的現(xiàn)象，具備這種特性的材料稱為超導(dǎo)體。
       物理學(xué)家麥克米蘭根據(jù)傳統(tǒng)理論計算斷定，超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度一般不能超過40K（約零下233攝氏度），這個溫度也被稱為麥克米蘭極限溫度。中國科學(xué)家首先發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)變溫度40K以上的鐵基超導(dǎo)體，接著又發(fā)現(xiàn)了系列的50K以上的鐵基超導(dǎo)體。
       1986年，瑞士發(fā)現(xiàn)40K銅氧化物超導(dǎo)體；1987年美國休斯頓大學(xué)和中國物理所幾乎同時發(fā)現(xiàn)YBCO的銅氧化物超導(dǎo)體，揭開了超導(dǎo)研究嶄新的一頁；在超導(dǎo)材料方面一共出現(xiàn)5次10人獲得諾貝爾物理獎。
       高溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)開始進(jìn)入實(shí)質(zhì)化擴(kuò)張階段，弱電領(lǐng)域積極擴(kuò)張。隨著高溫超導(dǎo)(HTS)材料研究的進(jìn)一步深化，以及高可靠性和高效率的制冷系統(tǒng)的發(fā)展，推動了高溫超導(dǎo)在未來十年進(jìn)入快速的實(shí)質(zhì)化擴(kuò)張階段。據(jù)預(yù)估，世界范圍內(nèi)到2020年超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值將達(dá)到2400億美元，其中高溫超導(dǎo)占60%-70%達(dá)到1500億美元左右。而隨著國內(nèi)外在移動通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，高溫超導(dǎo)在弱電領(lǐng)域的應(yīng)用將會首當(dāng)其沖成為產(chǎn)業(yè)化先行者。
       二、高溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)開始進(jìn)入實(shí)質(zhì)化擴(kuò)張階段
       移動通信爆發(fā)，高溫超導(dǎo)濾波器是解決基站干擾的最有效方法。超導(dǎo)濾波器，因?yàn)橛昧?7K低溫狀態(tài)下的低噪放，提高接收機(jī)靈敏度3 dB，根據(jù)實(shí)測，覆蓋半徑可擴(kuò)大22%左右，覆蓋面積可以擴(kuò)大45%左右。而且移動信號對室內(nèi)的滲透率也會增加；提高接通率20%～35%，降低掉話率20%～60%；網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，減少基站數(shù)量，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。超導(dǎo)濾波子系統(tǒng)在移動通信領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢作用(特別是3、4G時代)，假設(shè)2015年使用超導(dǎo)濾波子系統(tǒng)的基站占比達(dá)到30%，則將形成超過500億的巨大市場空間。
       高溫超導(dǎo)濾波器成為衛(wèi)星通信最主要器件之一。將衛(wèi)星用常規(guī)金屬濾波器和高溫超導(dǎo)子系統(tǒng)分別接入衛(wèi)星接收機(jī)的前端，使用高溫超導(dǎo)濾波器子系統(tǒng)可以大幅度地降低衛(wèi)星接收機(jī)的噪聲，顯著提高衛(wèi)星接收機(jī)的靈敏度和抗干擾能力。高溫超導(dǎo)濾波器聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的噪聲溫度僅為金屬濾波器聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的27%；采用高溫超導(dǎo)技術(shù)可以明顯減小接收系統(tǒng)的噪聲；對衛(wèi)星上來說，可以提高有效功率資源的利用，對地面來說，能減小地面設(shè)備的發(fā)射功率，特別是對地面移動式用戶機(jī)的應(yīng)用，發(fā)射功率的減少能減輕設(shè)備的體積和重量。
       超導(dǎo)子系統(tǒng)顯著提高雷達(dá)探測距離及強(qiáng)化抗干擾能力。高溫超導(dǎo)濾波器具有極低的插入損耗和極優(yōu)的頻率選擇性而且兼有平面器件小型化的優(yōu)點(diǎn)，若把超導(dǎo)濾波器用于武器裝備的接收機(jī)前端上，能大幅度提高接收系統(tǒng)的靈敏度、信噪比和抗干擾能力；還可增加雷達(dá)系統(tǒng)的探測距離，加長預(yù)警時間，增加通信系統(tǒng)的通信距離和抗干擾能力，提高導(dǎo)彈系統(tǒng)的制導(dǎo)精確度。
       中國優(yōu)勢資源展現(xiàn)未來中國在超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢。從高溫超導(dǎo)材料使用的原材料發(fā)展情況來看，不論是BSCCO/2223系(鉍鍶鈣銅氧-第一代超導(dǎo)材料)，還是YBCO/123(釔鋇銅氧-第二代超導(dǎo)材料)，都需要使用中國具有優(yōu)勢資源的稀有小金屬為主要原材料。特別是第二代YBCO中的稀土釔是中國具有戰(zhàn)略性資源的重稀土主要成份，而對于鋇鹽，我國是世界最大鋇儲量國，占全球的43%儲量。我們認(rèn)為隨著戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃推動，中國擁有資源優(yōu)勢的相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈將會在未來10年得到深化發(fā)展。
       超導(dǎo)材料擁有兩大特性：完全導(dǎo)電性(零電阻“理想”導(dǎo)體)；完全抗磁性(反映超導(dǎo)體的更深刻、更本質(zhì)的屬性)。自超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)至今，超導(dǎo)的研究和超導(dǎo)材料的研制已迅速發(fā)展，超導(dǎo)的臨界溫度已從開始的幾開升至幾十開甚至一百多開；而且超導(dǎo)材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)已逐漸研究清楚。以液態(tài)氮溫度下低溫超導(dǎo)材料的研究與發(fā)展獲得了成功，且已實(shí)現(xiàn)商品化，在醫(yī)療、電子輸送、運(yùn)輸?shù)确矫娅@得應(yīng)用；高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)，是最近幾十年來物理學(xué)及材料科學(xué)領(lǐng)域中的重大突破之一，并得以快速的發(fā)展，成為了超導(dǎo)材料的主力軍。
       隨著高溫超導(dǎo)(HTS)材料研究的進(jìn)一步深化，以及高可靠性和高效率的制冷系統(tǒng)的發(fā)展，推動了高溫超導(dǎo)在未來十年進(jìn)入快速的實(shí)質(zhì)化擴(kuò)張階段。據(jù)估計，世界范圍內(nèi)到2020年超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值將達(dá)到2400億美元，其中高溫超導(dǎo)占60%-70%達(dá)到1500億美元左右。
       三、弱電領(lǐng)域：高溫超導(dǎo)器件商用化發(fā)展迅速擴(kuò)張
       隨著國內(nèi)外在移動通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，高溫超導(dǎo)器件在弱電領(lǐng)域的商用化發(fā)展將得到迅速擴(kuò)張。
       高溫超導(dǎo)薄膜表面電阻遠(yuǎn)小于常規(guī)金屬材料。即使在移動通信的高頻頻率范圍內(nèi)，高溫超導(dǎo)材料的微波表面電阻比正常金屬也要小幾百甚至上千倍。高溫超導(dǎo)材料的磁場穿透深度與頻率無關(guān)。可用于構(gòu)造無色散的傳輸結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計出在常規(guī)導(dǎo)體中難以實(shí)現(xiàn)的器件。
       高溫超導(dǎo)濾波器的設(shè)計大多繼承了傳統(tǒng)的平面微帶濾波器的理論和方法，通過增加諧振器的個數(shù)，超導(dǎo)濾波器的性能和技術(shù)指標(biāo)就有可能全面勝出各種金屬濾波器(包括三維濾波器)。
       高溫超導(dǎo)材料具有極低的表面電阻，因此應(yīng)用超導(dǎo)材料制做的微波超導(dǎo)器件具有極低損耗和極低噪聲的優(yōu)良特性，使得預(yù)選濾波器放置在接收機(jī)的第一級成為可能，改變了接收機(jī)的常規(guī)設(shè)計，既保證了探測小信號的靈敏度又很好的抑制帶外干擾信號，避免常規(guī)設(shè)計中帶外的干擾信號也首先高倍放大，其交調(diào)信號落入信號帶內(nèi)形成帶內(nèi)干擾甚至阻塞接收通道。高溫超導(dǎo)微波器件組成的低溫前端應(yīng)用在接收機(jī)中大幅提高接收機(jī)的指標(biāo)。
       高溫超導(dǎo)材料可用來制作很多微波器件，如：超導(dǎo)濾波器、超導(dǎo)低噪放、超導(dǎo)超低相噪X波段振蕩器、信道化超導(dǎo)濾波器組、快速調(diào)諧超導(dǎo)濾波器、超導(dǎo)固定延時線等。
       超導(dǎo)薄膜具有很小的表面電阻，在微波頻率范圍內(nèi)，比在相同條件下的銅表面電阻要低 10~1000倍。因此高溫超導(dǎo)材料一經(jīng)發(fā)現(xiàn)很快就被用于制作可代替?zhèn)鹘y(tǒng)笨重的金屬諧振腔的微波濾波器。相對于傳統(tǒng)金屬諧振腔濾波器，超導(dǎo)濾波器在帶內(nèi)插損、帶外抑制以及帶邊陡度等方面具有明顯優(yōu)點(diǎn)。
       高溫超導(dǎo)濾波器五大優(yōu)勢：通帶損耗很小(0.1dB左右)；阻帶抑制很大(噪聲系數(shù)小，0.5dB左右)；邊帶陡峭(過渡帶很窄-好于-10dB/MHz)；可以制成極窄帶濾波器(常規(guī)濾波器的相對帶寬做到2%就已十分吃力，而超導(dǎo)濾波器的相對帶寬可以達(dá)到0.2%以下)；自身體積小、重量輕。
       1、移動通信，高溫超導(dǎo)濾波器是解決基站干擾的最有效方法
       超導(dǎo)濾波器應(yīng)用到移動通信基站接收機(jī)的輸入端，可以有效地抑制各種類型的，包括鄰近通帶邊緣僅1.5MHz的干擾，從而降低帶內(nèi)互調(diào)干擾和底噪聲，提高信號傳輸質(zhì)量和容量。
利用導(dǎo)體在-200℃時，表面電阻近似為零的特性制成的濾波器，Q值可達(dá)10萬，高于目前采用腔體濾波器的Q值20倍。因此具有極小的通帶插損(<0.1dB)，極高的阻帶抑制(>60dB)和極陡峭的過渡帶(最高可達(dá)-100dB/400KHz)。
       同時在超導(dǎo)濾波器之后配備有在超低溫工作條件下的低噪放(LNA)(增益：12dB)，具有極低的噪聲系數(shù)(<0.5dB)，用它作為基站接收機(jī)的射頻前端設(shè)備，能徹底抑制基站接收機(jī)的各種干擾，提高了接收機(jī)的靈敏度，解決了移動通信上行信號弱的瓶頸問題。而且超導(dǎo)濾波器安裝在基站主接收機(jī)和分集接收機(jī)上，因此不影響分集接收抗多徑衰落的功能。
       高溫超導(dǎo)濾波器由于工作溫度低，需要深度制冷(目前大部分超導(dǎo)濾波器使用的是。主要包括高溫超導(dǎo)濾波放大電路、深度制冷系統(tǒng)、精確控制系統(tǒng)、真空絕熱系統(tǒng)四部分。
       通常在有用信號通帶相鄰處產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾時，現(xiàn)有基站常規(guī)腔體濾波器無法抑制該干擾。該干擾信號進(jìn)入基站接收機(jī)后，由于基站接收機(jī)輸入部份的低噪放(LNA)和混頻器產(chǎn)生的非線性互調(diào)失真，將會使互調(diào)產(chǎn)物落在接收機(jī)有用信號帶內(nèi)，對接收機(jī)形成無法濾除的干擾。輕者使帶內(nèi)底噪聲增加，信號傳輸質(zhì)量下降；重者將會使通信中斷。
       超導(dǎo)濾波器，因?yàn)橛昧?200℃低溫狀態(tài)下的低噪放，提高接收機(jī)靈敏度3 dB，根據(jù)實(shí)測，覆蓋半徑可擴(kuò)大22%左右，覆蓋面積可以擴(kuò)大45%左右。而且移動信號對室內(nèi)的滲透率也會增加；提高接通率20%～35%，降低掉話率20%～60%；網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，減少基站數(shù)量，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。
超導(dǎo)濾波器有很優(yōu)秀的抗干擾功能，降低了帶內(nèi)底噪聲。降低了底噪聲造成的容量損失，從而提高原有基站容量的有效利用。這是解決城市原有基站增加容量有效方法。
       我國移動通信已經(jīng)全面邁進(jìn)3G時代，而3、4G網(wǎng)絡(luò)對射頻系統(tǒng)提出了更高的要求。隨著超導(dǎo)濾波器國產(chǎn)化進(jìn)一步加深，其成本將進(jìn)一步降低，相信超導(dǎo)濾波器必將為3、4G通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。隨著3、4G用戶的不斷增加和3、4G基站的不斷增加，3、4G各網(wǎng)信號間的相互干擾必然會不斷加劇，我們除了在3、4G發(fā)射端需要加強(qiáng)濾波之外，同等重要的是在3、4G各基站接收機(jī)也必須加強(qiáng)濾波，降低多網(wǎng)間互調(diào)干擾。超導(dǎo)濾波器，近似理想狀態(tài)的“磚型”濾波器特性，是解決基站接收方面互調(diào)干擾的最佳方案。
       2、衛(wèi)星通信，高溫超導(dǎo)濾波器成為衛(wèi)星通信最主要器件之一
       高溫超導(dǎo)濾波器和子系統(tǒng)一出現(xiàn)，立即引起空間技術(shù)部門的關(guān)注。1988年，美國以海軍牽頭提出了高溫超導(dǎo)空間實(shí)驗(yàn)計劃。該計劃共分3個階段，每階段都有色彩鮮明的內(nèi)容和任務(wù)，計劃的英文縮寫是NRL HTSSE。
       進(jìn)入21世紀(jì)后，美國宇航局(NASA)列出了作為實(shí)現(xiàn)21世紀(jì)戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，共9大類13項(xiàng)，其中以高溫超導(dǎo)濾波器和低噪聲放大器為核心的“低溫接收機(jī)前端”也被列入其中，用于空間數(shù)據(jù)傳輸。
       通過已進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，以為國外已經(jīng)在衛(wèi)星通信的實(shí)際使用情況來看：將衛(wèi)星用常規(guī)金屬濾波器和高溫超導(dǎo)子系統(tǒng)分別接入衛(wèi)星接收機(jī)的前端，使用高溫超導(dǎo)濾波器子系統(tǒng)可以大幅度地降低衛(wèi)星接收機(jī)的噪聲，顯著提高衛(wèi)星接收機(jī)的靈敏度和抗干擾能力。高溫超導(dǎo)濾波器聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的噪聲溫度僅為金屬濾波器聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的27%；采用高溫超導(dǎo)技術(shù)可以明顯減小接收系統(tǒng)的噪聲，這一事實(shí)對衛(wèi)星通信系統(tǒng)有著重要意義；對衛(wèi)星上來說，可以提高有效功率資源的利用，對地面來說，能減小地面設(shè)備的發(fā)射功率，特別是對地面移動式用戶機(jī)的應(yīng)用，發(fā)射功率的減少能減輕設(shè)備的體積和重量。
       我國已初步形成了返回式遙感衛(wèi)星系列、“東方紅”通信廣播衛(wèi)星系列、“風(fēng)云”氣象衛(wèi)星系列、“實(shí)踐”科學(xué)探測與技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列、地球資源衛(wèi)星系列、北斗星導(dǎo)航衛(wèi)星系列等六大衛(wèi)星系列。
       對于更為實(shí)際的導(dǎo)航衛(wèi)星，對超導(dǎo)器件的使用也隨著技術(shù)的推進(jìn)，加快步伐。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的成功發(fā)射，標(biāo)志著北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本系統(tǒng)建設(shè)完成，我國自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)入新的發(fā)展階段。同時，高溫超導(dǎo)子系統(tǒng)在射電天文領(lǐng)域的應(yīng)用也極其廣泛，英國跟荷蘭是全球最早在射電天文系統(tǒng)中加入超導(dǎo)子系統(tǒng)接收前段來達(dá)到抗干擾的理想化效果。
       3、雷達(dá)、反導(dǎo)，高溫超導(dǎo)子系統(tǒng)軍用價值毋庸質(zhì)疑
       高溫超導(dǎo)濾波器具有極低的插入損耗和極優(yōu)的頻率選擇性而且兼有平面器件小型化的優(yōu)點(diǎn)，若把超導(dǎo)濾波器用于武器裝備的接收機(jī)前端上，能大幅度提高接收系統(tǒng)的靈敏度、信噪比和抗干擾能力；還可增加雷達(dá)系統(tǒng)的探測距離，加長預(yù)警時間，增加通信系統(tǒng)的通信距離和抗干擾能力，提高導(dǎo)彈系統(tǒng)的制導(dǎo)精確度。超導(dǎo)濾波器是目前在軍事上應(yīng)用領(lǐng)域最廣泛的器件，也是研究最為成熟的器件之一；高溫超導(dǎo)多工(路 )器應(yīng)用在通信衛(wèi)星上可減小其50 %以上的體積和重量；高溫超導(dǎo)延遲線、高溫超導(dǎo)開關(guān)濾波器組在雷達(dá)和電子對抗領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值。
       高溫超導(dǎo)濾波器和子系統(tǒng)在雷達(dá)和制導(dǎo)技術(shù)中也同樣發(fā)揮了重要作用。20世紀(jì)90年代，美國加州的超導(dǎo)技術(shù)公司(STI)曾研制一種高溫超導(dǎo)濾波器庫，該濾波器庫由32個超導(dǎo)帶阻濾波器組成，所控制的頻帶從8.5GHz到10.5GHz。這套系統(tǒng)是作為雷達(dá)抗干擾的重要部件，可以根據(jù)電子對抗瞬息萬變的實(shí)際情況，用光纖和光學(xué)開關(guān)控制濾波器的通斷，實(shí)現(xiàn)阻帶快捷跳變，在機(jī)載預(yù)警雷達(dá)中發(fā)揮了十分重要的作用。美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室制作的含有超導(dǎo)子系統(tǒng)的下變頻接收機(jī)，工作頻率7.5GHz，帶寬300MHz，噪聲系數(shù)只有0.7dB，尺寸為17×8×2.5㎝3，該裝置顯著地提高了巡航導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的性能。利用高溫超導(dǎo)子系統(tǒng)提高雷達(dá)和制導(dǎo)微波接收機(jī)的性能，其軍事和經(jīng)濟(jì)價值是毋庸置疑的。
       四、資源稟賦 需深化超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)化推廣
       高溫超導(dǎo)材料的研究從20世紀(jì)80年代開始一直沒有停歇過，而從超導(dǎo)材料使用的原材料情況來看，不論是BSCCO/2223系(鉍系合金-第一代超導(dǎo)材料)，還是YBCO/123(釔系合金-第二代超導(dǎo)材料)，都需要使用中國具有優(yōu)勢資源的稀有小金屬為主要原材料。特別是第二代YBCO中的稀土釔是中國具有戰(zhàn)略性資源的重稀土主要成份，我國稀土釔的全球儲量占比高達(dá)41%，而對于鋇礦我國擁有全球43%的儲量占比；而對于鉍，中國有75%的資源占比，同時，我們也掌握了全球49%的鍶礦產(chǎn)量。我們認(rèn)為隨著戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃推動(超導(dǎo)技術(shù)已列入戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃中)，中國擁有資源優(yōu)勢的相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈將會在未來10年得到深化發(fā)展。
       而對于第二代超導(dǎo)材料，我們也可以理解為REBCO(稀土系)，從超導(dǎo)材料的科學(xué)角度來說YBCO中的釔是可以用其它稀土元素替代的，但是從目前的材料發(fā)展情況來看，目前能出現(xiàn)大規(guī)模運(yùn)用的只有YBCO。
       我國在鉍系帶材、釔系大面積雙面薄膜、釔系新型涂層帶材、釔系準(zhǔn)單疇塊材和高溫超導(dǎo)電纜等方面，其技術(shù)發(fā)展水平與國際水平相當(dāng)或相近，某些方面甚至處于國際領(lǐng)先水平。
       近年來第二代高溫超導(dǎo)帶材的研究成為國內(nèi)外超導(dǎo)研究的熱點(diǎn)。我國在“8 6 3”計劃的支持下，已初步實(shí)現(xiàn)了第二代帶材的動態(tài)制備，數(shù)十厘米長的帶材的超導(dǎo)臨界電流達(dá)到40A。在高溫超導(dǎo)單疇塊材方面，我國在材料制備工藝上有知識產(chǎn)權(quán)，與國際先進(jìn)水平的差距較小。而德國THEVA公司的多元反應(yīng)共蒸合成法技術(shù)，可生產(chǎn)出了直徑3英寸以上的超導(dǎo)薄膜，最大直徑可達(dá)8英寸。使得中國的各實(shí)驗(yàn)室在釔系2英寸雙面薄膜制備水平與國際水平相當(dāng)。
       同時，我國還在國外技術(shù)封鎖的情況下，實(shí)驗(yàn)室里研制出了2英寸雙面鉈超導(dǎo)播磨，為未來在超導(dǎo)技術(shù)中的核心材料方面提供了有力的保障。
       目前，超導(dǎo)市場的潛在規(guī)模達(dá)到2000億元，其中核心的超導(dǎo)材料占比30%-40%，市場規(guī)模約800億元左右，預(yù)計圍繞超導(dǎo)概念的炒作會繼續(xù)延伸至超導(dǎo)材料、超導(dǎo)限流器等領(lǐng)域。