中机院观点：中机院研究员系统论述高温超导产业的概念、发展进程、发展动态，研究其发展成果、发展优势及其未来的发展方向等，系统揭秘高温超导体产业发展的未来趋势。
   一、高温超导产业应用
       超导，全称超导电性，是20世纪最伟大的科学发现之一，指的是某些材料在温度降低到某一临界温度，或超导转变温度以下时，电阻突然消失的现象，具备这种特性的材料称为超导体。
       物理学家麦克米兰根据传统理论计算断定，超导体的转变温度一般不能超过40K（约零下233摄氏度），这个温度也被称为麦克米兰极限温度。中国科学家首先发现了转变温度40K以上的铁基超导体，接着又发现了系列的50K以上的铁基超导体。
       1986年，瑞士发现40K铜氧化物超导体；1987年美国休斯顿大学和中国物理所几乎同时发现YBCO的铜氧化物超导体，揭开了超导研究崭新的一页；在超导材料方面一共出现5次10人获得诺贝尔物理奖。
       高温超导产业开始进入实质化扩张阶段，弱电领域积极扩张。随着高温超导(HTS)材料研究的进一步深化，以及高可靠性和高效率的制冷系统的发展，推动了高温超导在未来十年进入快速的实质化扩张阶段。据预估，世界范围内到2020年超导产业的产值将达到2400亿美元，其中高温超导占60%-70%达到1500亿美元左右。而随着国内外在移动通信、卫星通信、雷达等领域的产业化进程的推进，高温超导在弱电领域的应用将会首当其冲成为产业化先行者。
       二、高温超导产业开始进入实质化扩张阶段
       移动通信爆发，高温超导滤波器是解决基站干扰的最有效方法。超导滤波器，因为用了77K低温状态下的低噪放，提高接收机灵敏度3 dB，根据实测，覆盖半径可扩大22%左右，覆盖面积可以扩大45%左右。而且移动信号对室内的渗透率也会增加；提高接通率20%～35%，降低掉话率20%～60%；网络规划时，减少基站数量，降低网络建设成本。超导滤波子系统在移动通信领域的巨大优势作用(特别是3、4G时代)，假设2015年使用超导滤波子系统的基站占比达到30%，则将形成超过500亿的巨大市场空间。
       高温超导滤波器成为卫星通信最主要器件之一。将卫星用常规金属滤波器和高温超导子系统分别接入卫星接收机的前端，使用高温超导滤波器子系统可以大幅度地降低卫星接收机的噪声，显著提高卫星接收机的灵敏度和抗干扰能力。高温超导滤波器联机系统的噪声温度仅为金属滤波器联机系统的27%；采用高温超导技术可以明显减小接收系统的噪声；对卫星上来说，可以提高有效功率资源的利用，对地面来说，能减小地面设备的发射功率，特别是对地面移动式用户机的应用，发射功率的减少能减轻设备的体积和重量。
       超导子系统显著提高雷达探测距离及强化抗干扰能力。高温超导滤波器具有极低的插入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。
       中国优势资源展现未来中国在超导产业的优势。从高温超导材料使用的原材料发展情况来看，不论是BSCCO/2223系(铋锶钙铜氧-第一代超导材料)，还是YBCO/123(钇钡铜氧-第二代超导材料)，都需要使用中国具有优势资源的稀有小金属为主要原材料。特别是第二代YBCO中的稀土钇是中国具有战略性资源的重稀土主要成份，而对于钡盐，我国是世界最大钡储量国，占全球的43%储量。我们认为随着战略新兴产业规划推动，中国拥有资源优势的相关产业链将会在未来10年得到深化发展。
       超导材料拥有两大特性：完全导电性(零电阻“理想”导体)；完全抗磁性(反映超导体的更深刻、更本质的属性)。自超导发现至今，超导的研究和超导材料的研制已迅速发展，超导的临界温度已从开始的几开升至几十开甚至一百多开；而且超导材料的物质结构及性质已逐渐研究清楚。以液态氮温度下低温超导材料的研究与发展获得了成功，且已实现商品化，在医疗、电子输送、运输等方面获得应用；高温超导材料的发现，是最近几十年来物理学及材料科学领域中的重大突破之一，并得以快速的发展，成为了超导材料的主力军。
       随着高温超导(HTS)材料研究的进一步深化，以及高可靠性和高效率的制冷系统的发展，推动了高温超导在未来十年进入快速的实质化扩张阶段。据估计，世界范围内到2020年超导产业的产值将达到2400亿美元，其中高温超导占60%-70%达到1500亿美元左右。
       三、弱电领域：高温超导器件商用化发展迅速扩张
       随着国内外在移动通信、卫星通信、雷达等领域的产业化进程的推进，高温超导器件在弱电领域的商用化发展将得到迅速扩张。
       高温超导薄膜表面电阻远小于常规金属材料。即使在移动通信的高频频率范围内，高温超导材料的微波表面电阻比正常金属也要小几百甚至上千倍。高温超导材料的磁场穿透深度与频率无关。可用于构造无色散的传输结构，可以设计出在常规导体中难以实现的器件。
       高温超导滤波器的设计大多继承了传统的平面微带滤波器的理论和方法，通过增加谐振器的个数，超导滤波器的性能和技术指标就有可能全面胜出各种金属滤波器(包括三维滤波器)。
       高温超导材料具有极低的表面电阻，因此应用超导材料制做的微波超导器件具有极低损耗和极低噪声的优良特性，使得预选滤波器放置在接收机的第一级成为可能，改变了接收机的常规设计，既保证了探测小信号的灵敏度又很好的抑制带外干扰信号，避免常规设计中带外的干扰信号也首先高倍放大，其交调信号落入信号带内形成带内干扰甚至阻塞接收通道。高温超导微波器件组成的低温前端应用在接收机中大幅提高接收机的指标。
       高温超导材料可用来制作很多微波器件，如：超导滤波器、超导低噪放、超导超低相噪X波段振荡器、信道化超导滤波器组、快速调谐超导滤波器、超导固定延时线等。
       超导薄膜具有很小的表面电阻，在微波频率范围内，比在相同条件下的铜表面电阻要低 10~1000倍。因此高温超导材料一经发现很快就被用于制作可代替传统笨重的金属谐振腔的微波滤波器。相对于传统金属谐振腔滤波器，超导滤波器在带内插损、带外抑制以及带边陡度等方面具有明显优点。
       高温超导滤波器五大优势：通带损耗很小(0.1dB左右)；阻带抑制很大(噪声系数小，0.5dB左右)；边带陡峭(过渡带很窄-好于-10dB/MHz)；可以制成极窄带滤波器(常规滤波器的相对带宽做到2%就已十分吃力，而超导滤波器的相对带宽可以达到0.2%以下)；自身体积小、重量轻。
      1、移动通信，高温超导滤波器是解决基站干扰的最有效方法
       超导滤波器应用到移动通信基站接收机的输入端，可以有效地抑制各种类型的，包括邻近通带边缘仅1.5MHz的干扰，从而降低带内互调干扰和底噪声，提高信号传输质量和容量。
利用导体在-200℃时，表面电阻近似为零的特性制成的滤波器，Q值可达10万，高于目前采用腔体滤波器的Q值20倍。因此具有极小的通带插损(<0.1dB)，极高的阻带抑制(>60dB)和极陡峭的过渡带(最高可达-100dB/400KHz)。
       同时在超导滤波器之后配备有在超低温工作条件下的低噪放(LNA)(增益：12dB)，具有极低的噪声系数(<0.5dB)，用它作为基站接收机的射频前端设备，能彻底抑制基站接收机的各种干扰，提高了接收机的灵敏度，解决了移动通信上行信号弱的瓶颈问题。而且超导滤波器安装在基站主接收机和分集接收机上，因此不影响分集接收抗多径衰落的功能。
       高温超导滤波器由于工作温度低，需要深度制冷(目前大部分超导滤波器使用的是。主要包括高温超导滤波放大电路、深度制冷系统、精确控制系统、真空绝热系统四部分。
       通常在有用信号通带相邻处产生较强的干扰时，现有基站常规腔体滤波器无法抑制该干扰。该干扰信号进入基站接收机后，由于基站接收机输入部份的低噪放(LNA)和混频器产生的非线性互调失真，将会使互调产物落在接收机有用信号带内，对接收机形成无法滤除的干扰。轻者使带内底噪声增加，信号传输质量下降；重者将会使通信中断。
       超导滤波器，因为用了-200℃低温状态下的低噪放，提高接收机灵敏度3 dB，根据实测，覆盖半径可扩大22%左右，覆盖面积可以扩大45%左右。而且移动信号对室内的渗透率也会增加；提高接通率20%～35%，降低掉话率20%～60%；网络规划时，减少基站数量，降低网络建设成本。
超导滤波器有很优秀的抗干扰功能，降低了带内底噪声。降低了底噪声造成的容量损失，从而提高原有基站容量的有效利用。这是解决城市原有基站增加容量有效方法。
       我国移动通信已经全面迈进3G时代，而3、4G网络对射频系统提出了更高的要求。随着超导滤波器国产化进一步加深，其成本将进一步降低，相信超导滤波器必将为3、4G通信网络的发展作出贡献。随着3、4G用户的不断增加和3、4G基站的不断增加，3、4G各网信号间的相互干扰必然会不断加剧，我们除了在3、4G发射端需要加强滤波之外，同等重要的是在3、4G各基站接收机也必须加强滤波，降低多网间互调干扰。超导滤波器，近似理想状态的“砖型”滤波器特性，是解决基站接收方面互调干扰的最佳方案。
       2、卫星通信，高温超导滤波器成为卫星通信最主要器件之一
       高温超导滤波器和子系统一出现，立即引起空间技术部门的关注。1988年，美国以海军牵头提出了高温超导空间实验计划。该计划共分3个阶段，每阶段都有色彩鲜明的内容和任务，计划的英文缩写是NRL HTSSE。
       进入21世纪后，美国宇航局(NASA)列出了作为实现21世纪战略目标的关键技术，共9大类13项，其中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”也被列入其中，用于空间数据传输。
       通过已进行的实验，以为国外已经在卫星通信的实际使用情况来看：将卫星用常规金属滤波器和高温超导子系统分别接入卫星接收机的前端，使用高温超导滤波器子系统可以大幅度地降低卫星接收机的噪声，显著提高卫星接收机的灵敏度和抗干扰能力。高温超导滤波器联机系统的噪声温度仅为金属滤波器联机系统的27%；采用高温超导技术可以明显减小接收系统的噪声，这一事实对卫星通信系统有着重要意义；对卫星上来说，可以提高有效功率资源的利用，对地面来说，能减小地面设备的发射功率，特别是对地面移动式用户机的应用，发射功率的减少能减轻设备的体积和重量。
       我国已初步形成了返回式遥感卫星系列、“东方红”通信广播卫星系列、“风云”气象卫星系列、“实践”科学探测与技术试验卫星系列、地球资源卫星系列、北斗星导航卫星系列等六大卫星系列。
       对于更为实际的导航卫星，对超导器件的使用也随着技术的推进，加快步伐。北斗导航卫星的成功发射，标志着北斗区域卫星导航系统的基本系统建设完成，我国自主卫星导航系统建设进入新的发展阶段。同时，高温超导子系统在射电天文领域的应用也极其广泛，英国跟荷兰是全球最早在射电天文系统中加入超导子系统接收前段来达到抗干扰的理想化效果。
       3、雷达、反导，高温超导子系统军用价值毋庸质疑
       高温超导滤波器具有极低的插入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。
       高温超导滤波器和子系统在雷达和制导技术中也同样发挥了重要作用。20世纪90年代，美国加州的超导技术公司(STI)曾研制一种高温超导滤波器库，该滤波器库由32个超导带阻滤波器组成，所控制的频带从8.5GHz到10.5GHz。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。美国喷气推进实验室制作的含有超导子系统的下变频接收机，工作频率7.5GHz，带宽300MHz，噪声系数只有0.7dB，尺寸为17×8×2.5㎝3，该装置显著地提高了巡航导弹制导系统的性能。利用高温超导子系统提高雷达和制导微波接收机的性能，其军事和经济价值是毋庸置疑的。
       四、资源禀赋 需深化超导产业化推广
       高温超导材料的研究从20世纪80年代开始一直没有停歇过，而从超导材料使用的原材料情况来看，不论是BSCCO/2223系(铋系合金-第一代超导材料)，还是YBCO/123(钇系合金-第二代超导材料)，都需要使用中国具有优势资源的稀有小金属为主要原材料。特别是第二代YBCO中的稀土钇是中国具有战略性资源的重稀土主要成份，我国稀土钇的全球储量占比高达41%，而对于钡矿我国拥有全球43%的储量占比；而对于铋，中国有75%的资源占比，同时，我们也掌握了全球49%的锶矿产量。我们认为随着战略新兴产业规划推动(超导技术已列入战略新兴产业规划中)，中国拥有资源优势的相关产业链将会在未来10年得到深化发展。
       而对于第二代超导材料，我们也可以理解为REBCO(稀土系)，从超导材料的科学角度来说YBCO中的钇是可以用其它稀土元素替代的，但是从目前的材料发展情况来看，目前能出现大规模运用的只有YBCO。
       我国在铋系带材、钇系大面积双面薄膜、钇系新型涂层带材、钇系准单畴块材和高温超导电缆等方面，其技术发展水平与国际水平相当或相近，某些方面甚至处于国际领先水平。
       近年来第二代高温超导带材的研究成为国内外超导研究的热点。我国在“8 6 3”计划的支持下，已初步实现了第二代带材的动态制备，数十厘米长的带材的超导临界电流达到40A。在高温超导单畴块材方面，我国在材料制备工艺上有知识产权，与国际先进水平的差距较小。而德国THEVA公司的多元反应共蒸合成法技术，可生产出了直径3英寸以上的超导薄膜，最大直径可达8英寸。使得中国的各实验室在钇系2英寸双面薄膜制备水平与国际水平相当。
       同时，我国还在国外技术封锁的情况下，实验室里研制出了2英寸双面铊超导播磨，为未来在超导技术中的核心材料方面提供了有力的保障。
       目前，超导市场的潜在规模达到2000亿元，其中核心的超导材料占比30%-40%，市场规模约800亿元左右，预计围绕超导概念的炒作会继续延伸至超导材料、超导限流器等领域。

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