博文

清华大学魏斌等｜高温超导微波滤波器研究和应用进展

已有 448 次阅读 2026-8-31 10:04 |个人分类:物理与工程|系统分类:论文交流

本文选自“清华物理系百年庆专刊”——《物理与工程》2026年第5期

魏斌，清华大学物理系副教授，基础物理教学中心副主任。承担普通物理、大学物理等课程的教学工作，开展教学研究与课程建设。长期从事超导电子学研究。

魏斌 陆泊宇 蒋逸凡 郭旭波 宋飞

（清华大学物理系）

摘要

本文回顾了清华大学物理系在高温超导微波滤波器设计、研制及应用方面的研究工作。介绍了高温超导微波滤波器研究现状，研究团队在窄带超导滤波器、宽抑制特性超导滤波器、双通带和三通带超导滤波器、宽带超导滤波器等方面的研制工作，以及高温超导滤波器在移动通信基站中的应用研究。

关键词

高温超导；超导微波滤波器；带通滤波器

DOI 10.27024/j.wlygc.2026.07.31.is

RESEARCH AND APPLICATION PROGRESS OF HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTING MICROWAVE FILTERS

WEI Bin LU Boyu JIANG Yifan GUO Xubo SONG Fei

(Department of Physics, Tsinghua University, Beijing 100084)

Abstract This paper reviews the research progress of the research team in the Department of Physics, Tsinghua University, concerning the design, development, and application of high-temperature superconducting (HTS) microwave filters. The current state of HTS microwave filter research is presented, highlighting the team's development efforts in narrowband, wide-stopband, dual-band, triple-band, and broadband HTS filters. Furthermore, the practical application of HTS filters in mobile communication base stations is discussed.

Key words high-temperature superconducting; superconducting microwave filters; band-pass filters

1 微波滤波器简介

无线电通信技术已经深入应用于人们的日常生活。在不同通信系统并存的环境中，微波通信系统的接收前端设备中加装的微波滤波器，在频域上对接收到的微波信号进行处理，让所需的频率信号选择性通过，同时抑制其他频段微波信号的强度，以降低其他微波信号对通信系统的干扰。微波滤波器可以由电感电容谐振单元电路通过级联构成。选择性通过一段频率信号的带通微波滤波器，在理想状态下，让通带内的信号无损耗地通过，同时让通带外的信号不能通过。增加理想微波滤波器中的级联谐振单元数量，带通滤波器的理想频率响应特性可呈现矩形响应。由于制作微波滤波器的常规金属（如铜）存在电阻，因此常规微波滤波器在微波频段有交流损耗，增加微波滤波器中谐振单元数量，在提高滤波器的选择特性、提高通带带边的陡峭度的同时，会显著增加滤波器通带内的损耗。当无线通信或无线探测系统需要在复杂电磁环境中接收弱信号时，微波滤波器需要同时具有通带选择性高且通带内损耗低的特性。

2 超导微波滤波器

1911年，荷兰物理学家昂尼斯（Onnes）在利用液氦开展的金属低温电阻率实验中，首次观测到金属汞在4.2K温度时直流电阻消失[1]，昂尼斯称之为超导态。1933年迈斯纳发现超导体内磁感应强度为零，超导体具有完全抗磁性，这一现象后来被称为迈斯纳效应。随后，物理学界开始了各种超导材料和超导机理的长期研究，这阶段发现的超导材料的超导转变温度都低于23.5K。1986年，IBM实验室的柏诺兹（Bednorz）和缪勒（Müller）[2]首次发现了超导转变温度高于30K的钡-镧-铜-氧（Ba-La-Cu-O）金属氧化物材料。随后，其他科学家在实验中观察到此类金属氧化物的超导迈斯纳效应。相对于早期超导材料较低的超导转变温度，这类金属氧化物超导材料被称为“高温超导体”。

目前，钇钡铜氧（YBCO）金属氧化物薄膜是普遍使用的高温超导材料。钇钡铜氧（YBCO）高温超导材料的超导临界转变温度达到90～92K。在氧化镁、铝酸镧、蓝宝石等高Q值介质基片上外延生长获得的高质量高温超导薄膜材料，已被应用于研制多种微波器件。在液氮温区（77K）下，YBCO高温超导薄膜材料的微波表面电阻，比同温度下的金属铜还要低2～4个数量级（1～10GHz频率区间）[3]，如图1所示。

用YBCO高温超导薄膜代替铜等常规金属，可制备微波损耗极低的微波平面电路器件。基于高温超导薄膜材料设计和研制的具有高阶数谐振器单元的微波滤波器，兼具高频率选择特性和低通带内损耗的优点，具有接近矩形曲线的频率特性曲线。图2是我们团队研制的用于CDMA移动通信系统的16阶高温超导滤波器的滤波特性曲线。

当超导滤波器应用于微波接收前端时，需要为滤波器提供稳定的低温工作环境。实用的超导滤波子系统通常由超导滤波器、低温低噪声放大器、真空腔体、制冷机和控制电路等部分组成。能在液氮温区工作的低温低噪声放大器，在放大接收信号的同时，只引入极低的热噪声。真空腔体将低温下的超导器件与大气隔绝，以尽可能降低热损耗。小型电制冷机将高温超导滤波器和低噪声放大器等核心器件的工作温度降至液氮温区。将超导滤波子系统接入无线通信系统基站的接收前端设备链路中，可以提高无线通信系统对弱信号的接收能力，并有效抑制通带外的信号，从而提高无线通信系统的性能。

多年来，国内多家研究机构开展了高温超导微波器件的应用研究[5]。清华大学与中国联通合作，建立了高温超导通信示范小区；中国科学院物理研究所将高温超导微波前端安装于风廓线雷达开展测试研究；中国电子科技集团第十六研究所在射电天文接收机中应用了超导接收前端。其他单位也开展了超导滤波器及子系统的研究工作。

3 清华物理系高温超导滤波器研究工作

清华大学物理系超导电子学实验室，在高温超导材料的物理特性、微波特性的理论和实验研究、超导滤波器的研制，以及超导滤波器实际应用于无线通信系统的现场试验等多个方面，开展了长期的研究工作。在超导微波器件的理论研究、器件制备、系统集成和工程应用等方面积累了丰富的经验。在滤波器理论研究方面，在窄带超导滤波器设计、宽抑制特性超导滤波器设计、双通带和三通带超导滤波器设计、宽带超导滤波器设计等多方面有了较好的研究基础。

3.1 窄带超导滤波器

在多种微波通信系统并存的复杂电磁环境中，当无线通信系统需要接收很窄的频段信号时，需要使用窄通带的微波滤波器。高温超导薄膜材料因其极低的微波损耗特性，在窄带微波滤波器研制中具有显著优势。窄带微波滤波器设计需要解决高品质因数谐振单元、极弱的谐振器相邻耦合，以及谐振器间极弱非相邻耦合等难题。

2019年，陶琳等[6]提出了一种S形双螺旋旋入旋出结构谐振器。两部分螺旋微带线电流方向相反削弱了外部磁场；通过调整谐振器的结构比例，可以有效改变相邻谐振器之间的耦合强度和耦合极性。在谐振器间距较窄的情况下，也能实现稳定且较弱的相邻耦合，有利于超导滤波器的微型化设计。使用双螺旋旋入旋出结构谐振器单元，采用优化结构比例、间距以及相邻谐振器交错排列三种措施，可实现窄通带超导滤波器。基于优化后的双螺旋旋入旋出结构谐振器，设计并制作了一个中心频率为2258MHz、相对带宽为0.18%的六阶窄带高温超导滤波器。超导滤波器电路在70K温度下的滤波特性测试结果如图3所示。

3.2 宽抑制特性超导滤波器

微带结构微波谐振器在基频外存在不同的高次谐振频率，微带结构超导滤波器也同样存在不同的高次谐频通带，使得超导滤波器的带外抑制能力不足。在微波接收机需要抑制较宽频率范围的场景中，要求超导滤波器具有较宽的阻带抑制范围。

2015年，王丹等[7]提出了一种“埋地-类插指电容结构”的谐振器，将四分之一波长谐振器的接地端改为多条平行叉指结构，使其与接地超导材料构成叉指电容结构。以此构成的超导滤波器谐振器间相邻耦合度没有明显变化，谐振器的三次及高次谐频都得到明显抑制。研制的中心频率为143MHz的四阶高温超导滤波器，通带外80dB阻带抑制上限可达1040MHz，是基频7倍以上。

2020年，骆晨杰等[8]提出了一种引入阶跃阻抗结构的叉指电容谐振器，阶跃阻抗结构的引入使得谐振器的谐频频率被进一步推高。通过控制谐振器微带线中的低阻抗区域的宽度，能够在一定范围内调整第一谐频与基频的倍频比的大小。针对叉指结构谐振器因电磁场集中在结构的耦合度较弱问题，将阶跃阻抗部分的高阻抗线优化为蜿蜒线结构，并采用相邻谐振器互相嵌入的强耦合方式，以满足宽带滤波器的强耦合要求。据此设计并制作了十阶高温超导宽阻带宽通带滤波器，中心频率2128MHz，3dB带宽484MHz，相对带宽达22.7%。滤波器通带外抑制度80dB以上的频率范围达8728MHz（约4.1倍基频频率）。宽阻带宽带超导滤波器电路和70K温度下滤波特性测试结果如图4所示。

3.3 双通带和三通带超导滤波器

微波通信系统在接收多个频段的微波信号时，常使用一套天线和馈线系统同时接收两个频段或更多频段的微波信号。不同频段微波信号经多通带滤波器及放大器后，再由后级电路进一步处理。在高温超导双通带及多通带滤波器的设计中，通常采用具有多个谐振频率的谐振器结构，并采用分离的电磁耦合结构，以保证不同频带之间具有满足要求的隔离度。

2014年，陆喜龙等[9]提出了一种采用改进型枝节加载谐振器结构，将偶模耦合和奇模耦合从微带电路的物理传输路径中分离出来，构成的超导滤波器可以通过两条独立的耦合路径，分别独立调节两个频带的带宽，据此结构研制了中心频率分别为2.55GHz和3.53GHz的双通带八阶高温超导滤波器。

2016年，宋飞等[10]提出了一种基于嵌入式枝节加载谐振器的三模谐振器。采用奇偶模分析方法，给出了频率特性关系。在滤波器设计中采用了容性负载的平行耦合线结构，实现了三个通带的相对带宽一致。采用双馈线的外部耦合结构，实现了三通带的稳定耦合特性。设计并制作了相对带宽为4%的三阶三通带高温超导滤波器，通带中心频率分别为1.8GHz、2.4GHz和3.5GHz，分别对应GSM、WLAN和WiMAX通信应用。三通带超导滤波器样品照片和70K温度下滤波特性测试结果如图5所示。

3.4 宽带超导滤波器

对于需要接收宽频段范围信号的无线接收系统而言，滤波器需要具有宽通带的滤波特性。谐振器级联耦合结构的滤波器设计方法适用于相对带宽较窄的通带，宽带超导滤波器需要采用不同的谐振器结构和耦合模式。

2015年，陆喜龙等[11]分析了多个发夹谐振器耦合时的耦合模式，发现耦合发夹谐振器中的多种电流方向和分布模式可以形成不同的耦合模式，提出了一种由小贴片连接的n个发夹结构的多模谐振器设计方法。通过多模谐振器结构和谐振模式优化，实现通带内五个谐振峰频率合理分配，研制了采用四阶五模谐振器的高温超导超宽带滤波器。

2019年，商帅等[12]提出了一种基于四分之一波长的共面螺旋谐振器结构，相比于传统的共面波导（CPW）结构谐振器，新型谐振器的相邻耦合强度显著增强。在低频段，该谐振器结构能够实现低频宽带滤波器所需的强耦合。谐振单元两侧的超导接地块结构为滤波电路提供等电势条件。基于该谐振器研制的八阶宽带高温超导滤波器，中心频率为322MHz，相对带宽约为50%，在70K温度下实测该滤波器插入损耗最小值小于0.1dB，谐频频率位于842MHz处，约为中心频率的2.6倍。八阶宽带高温超导滤波器电路和滤波特性测试结果如图6所示。

4 超导滤波器及子系统的应用研究

针对我国不同时期应用的全球移动通信（GSM）系统，以及码分多址（CDMA）移动通信系统的需求，我们团队研制了工作于1800MHz频段的超导滤波器和工作于830MHz频段的超导滤波器。超导滤波器与低温低噪声放大器构成的滤波接收组件，分别安装在GMS基站接收前端和CDMA基站接收前端上，并进行了测试研究。

2003年，我们团队[13]研制了用于GSM移动通信系统1800MHz频段的高温超导微波滤波器。该滤波器由12阶谐振器构成，利用铝酸镧基片双面YBCO超导薄膜制备，滤波器的通带中心频率和相对带宽分别为1750MHz和4.3%。在70K的工作温度下，该滤波器的插入损耗小于0.48dB，带外抑制大于65dB。该超导滤波器与低噪声放大器组件安装于GSM1800移动通信基站接收前端，信号增益满足设备要求，接收前端中引入的噪声系数小于0.6dB。

针对CDMA移动通信系统的需求，2004年，郭旭波等[4]研制了16阶高温超导滤波器，采用蓝宝石基片上的双面YBCO超导薄膜制备，超导滤波器电路尺寸为46mm×29mm×0.43mm，通带的中心频率为830MHz，相对带宽为1.2%。在70K的工作温度下，该滤波器的带内插入损耗小于0.29dB，带外抑制优于70dB，且带边陡峭度大于40dB/MHz。利用超导滤波器与低噪声放大器构成的组件，与微型斯特林电制冷机集成的超导滤波系统，在70K的工作温度下，微波链路的增益为21.5dB，噪声系数为0.75dB，电压驻波比（VSWR）为1.5。

2009年，我们团队[14]与北京联通公司合作建成了基于码分多址（CDMA）无线通信系统的高温超导接收前端应用示范基地，并介绍了该示范基地安装高温超导接收前端后的现场测试情况。该示范基地包含五个CDMA基站，每个基站均安装了集成6个超导滤波通路的高温超导接收前端。高温超导接收前端的中心频率均为830MHz，带宽为13MHz，噪声系数（NF）为0.9dB。使用高温超导接收前端替换基站中的常规微波接收前端工作的连续3年运行测试期间，高温超导接收前端应用示范基地覆盖地区内，手机用户的平均发射功率下降了2.35dB。图7显示了高温超导接收前端在部分移动通信基站中的安装运行情况。

5 讨论

高温超导微波滤波器同时具有高选择性和极低损耗的优点，与低温低噪声放大器级联构成的超导滤波放大组件具有极低的热噪声，应用于微波通信系统和微波探测系统的接收前端，可以显著提高微波系统的接收性能。由于超导材料只有在超导转变温度以下才能进入超导状态，因此应用超导滤波子系统需要提供低温工作环境，使得超导滤波器的应用场景受到一定限制。经过多年研究，我国已经在低至十几兆赫兹、高至20GHz频段研制了针对不同需求的高温超导滤波器。在需要探测极弱微波信号的射电天文等领域，超导滤波组件的高选择性和极低噪声特点具有重要应用前景。在极窄带的频段信号接收应用中，需要研制由高阶谐振器构成的微带滤波器。常规金属材料因微波损耗过大不适用，由高温超导薄膜材料制备的微波滤波器具有独特的优势。此外，微型化超导滤波器以及可调频超导滤波器等器件，都具有潜在的应用前景。

参考文献

[1]ONNES H K. Further experiments with liquid helium. C. On the change of electric resistance of pure metals at very low temperatures etc. IV. The resistance of pure mercury at helium temperatures[M]//Through Measurement to Knowledge.Dordrecht: Springer, 1991:261-263.

[2]BEDNORZ J G, MÜLLER K A. Possible high Tc superconductivity in the Ba-La-Cu-O system[J]. Zeitschrift für Physik B Condensed Matter,1986, 64(2): 189-193.

[3]HONG J S, LANCASTER M J. Microstrip filters for RF/microwave applications[M]. New York: Wiley, 2001.

[4]GUO X B, GAO B S, WEI B, et al. A high performance HTS filter subsystem for CDMA[J].Chinese Journal of Physics, 2004, 42(4): 463-467.

[5]李春光, 王佳, 吴云, 等. 中国超导电子学研究及应用进展[J].物理学报, 2021, 70(1): 184-209.

LI C G, WANG J, WU Y, et al. Recent progress of superconducting electronics in China[J]. Acta Physica Sinica, 2021, 70(1): 184-209. (in Chinese)

[6]TAO L, WEI B, GUO X B, et al. Miniaturized ultra-narrowband superconducting microstrip filter with stable coupling using optimized twin spiral-in-spiral-out resonators[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2019, 29(6): 1500907.

[7]WANG D, WEI B, CAO B S, et al. A compact wide stopband HTS filter with ground surrounded quasi-interdigitalstructures[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2015, 25(11): 703-705.

[8]LUO C J, JIANG Y, WEI B, et al. A wide stopband wideband HTS filter using stepped-impedance resonators with an interdigital capacitor structure[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2020, 30(2): 1500305.

[9]LU X L, WEI B, CAO B S, et al. Design of a high-order dual-band superconducting filter with controllable frequencies and bandwidths[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2014, 24(2): 1500205.

[10]SONG F, WEI B, ZHU L, et al. A novel tri-band superconducting filter using embedded stub-loaded resonators[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(8): 1502009.

[11]LU X L, WEI B, XU Z, et al. Superconducting ultra-wideband (UWB) bandpass filter design based on quintuple/quadruple/ triple-mode resonator[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2015, 63(4): 1281-1293.

[12]SHANG S, WEI B, CAO B S, et al. A wideband HTS filter using strong coupling coplanar spiral resonator structure[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2019,29(4): 1500105.

[13]WEI B, ZHANG X P, LIU K, et al. HTS subsystem formed by 12-pole filter for GSM1800 mobile communication[J].Physica C: Superconductivity, 2003, 386: 551-554.

[14]WEI B, GUO X B, PIAO Y L, et al. Field test of HTS receivers on CDMA demonstration cluster in China[J]. Chinese Science Bulletin, 2009, 54(4): 612-615.

通信作者: 魏斌，weibin@mail.tsinghua.edu.cn。

引文格式: 魏斌，陆泊宇，蒋逸凡，等. 高温超导微波滤波器研究和应用进展[J]. 物理与工程，2026，46（5）：45-50.

Cite this article: WEI B, LU B Y, JIANG Y F, et al. Research and application progress of high-temperature superconducting microwave filters[J]. Physics and Engineering, 2026， 46（5）： 45-50. (in Chinese)