超導(dǎo)電路與器件對于多種行業(yè)都具有重要的意義，包括軍用、民用、測試與測量、醫(yī)療電子系統(tǒng)等。盡管人們已經(jīng)在這一技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了數(shù)十年的探索，但長期以來，由于需要保持接近絕對零度(0k)的溫度以實現(xiàn)超導(dǎo)電路的零電阻特性，因此超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展始終受到了限制。如今，hypres公司通過將其最新的sme(superconducting microelectronic，超導(dǎo)微電子)技術(shù)與一種微型商用冷卻器相結(jié)合，研制出了一種微波接收器前端原型系統(tǒng)，并已證實該系統(tǒng)能夠大大提高軍用衛(wèi)星通信(satcom)系統(tǒng)測試的性能，同時不需要配置任何常規(guī)的前端硬件。

　　hypres努力將其低溫冷卻電子技術(shù)應(yīng)用于通信系統(tǒng)的小型化，這符合下一代dscs(defense satellite communications system，國防衛(wèi)星通信系統(tǒng))衛(wèi)星終端的發(fā)展需求。大多數(shù)這類終端都采用大型的拋物面天線，以增強(qiáng)電平相對較低的接收信號的增益-熱噪比(g/t)。但是，衛(wèi)星通信系統(tǒng)(pd scs)高級技術(shù)部的退休產(chǎn)品主管、國防通信與軍用傳輸系統(tǒng)(pm dcats)——負(fù)責(zé)為美國軍方采購和安裝全球衛(wèi)星終端——的兼職項目經(jīng)理john deewall認(rèn)為，當(dāng)前要優(yōu)先發(fā)展小型衛(wèi)星通信終端：“全球各地普遍缺乏衛(wèi)星終端基站。我們已經(jīng)認(rèn)識到縮小這些高達(dá)18m的‘恐龍’的必要性�！毙l(wèi)星通信終端采用傳統(tǒng)的超外差接收器下變頻方法，將衛(wèi)星通信終端天線接收到的x波段信號轉(zhuǎn)換為可以處理和數(shù)字化的低頻中頻(if)信號。

　　這種傳統(tǒng)的方法需要采用一系列基于混頻器的下變頻電路，將微波頻率轉(zhuǎn)換為寬帶中頻，進(jìn)而通過數(shù)字化處理捕捉調(diào)制信息。軍用系統(tǒng)的研制人員始終在尋求一種真正的數(shù)字接收器，在前端直接對微波信號進(jìn)行數(shù)字化處理，從而取消為實現(xiàn)高g/t比所需的混頻器和lan(低噪聲放大器)。

　　hypres開發(fā)的基于sme的元件和子系統(tǒng)是軍用衛(wèi)星通信和其他通信終端小型化的一種潛在解決方案。hypres最近演示了全球第一款用于pm dcats的x波段全數(shù)字接收器(adr)原型，該項目來源于多項sbir(small business innovation research)合同和pm dcats的基金支持。通過衛(wèi)星通信信號的直接數(shù)字化處理，去掉了原來很多衛(wèi)星通信終端的模擬前端電子部件，例如lan、下變頻器、線纜和連接器(及其相應(yīng)的信號損耗)，從而為小型終端天線的應(yīng)用鋪平了道路。另一方面，在軍用衛(wèi)星通信終端中使用超導(dǎo)adr還能夠大大降低功耗。hypres目前正在研發(fā)針對特定工作需求的原型adr系統(tǒng)。

　　利用hypres研發(fā)的超導(dǎo)芯片(如圖1所示)已經(jīng)使adr接收器的出現(xiàn)成為可能。該芯片以hypres公司的鈮襯底材料為基礎(chǔ)，內(nèi)含大約11000個jj(josephson junction)，構(gòu)成了超導(dǎo)rsfq(rapid single flux quantum)邏輯電路。它采用hypres公司的4.5ka/cm2 sme工藝制成。超導(dǎo)的零電阻優(yōu)勢以及可忽略的信號損耗使得該芯片在高達(dá)40ghz的非交叉時鐘速率下仍可用作高速adc(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)。

　　當(dāng)然，在任何應(yīng)用中使用超導(dǎo)電路的障礙在于需要對電路進(jìn)行冷卻，以發(fā)揮其應(yīng)有的性能優(yōu)勢。根據(jù)電路的類型和所需的冷卻溫度，冷卻系統(tǒng)通常需要使用高杜瓦的液氮或液氦，以應(yīng)對相對較快的熱量消散和泄漏損耗。hypres的adr設(shè)計大大不同于基于杜瓦的設(shè)計，因為它在實現(xiàn)所需的冷卻溫度的同時，采用sumitomo電子的兩級冷卻器(srdk- 101d-a11)實現(xiàn)了cots(commercial-off-the-shelf)封裝。

　　這種緊湊式冷卻器采用了一個風(fēng)冷式壓縮機(jī)實現(xiàn)了冷卻所需的內(nèi)部氣壓，具有出色的接地與磁屏蔽性能，以及很高的熱電可靠性。hypres推出的封裝了冷卻器的adr芯片已經(jīng)成功應(yīng)用于pm-dcats和美國軍方cerdec(communications-electronics research, development, and engineering center，通信電子研發(fā)開發(fā)與工程中心)的x波段全數(shù)字射頻(tm)接收機(jī)原型(xadr)的設(shè)計之中。該芯片用作帶通二階delta-sigma adc和數(shù)字信道器電路，二者使用一個公共的高頻時鐘。

　　x波段的輸入信號被直接轉(zhuǎn)換成一個過采樣單位數(shù)據(jù)流。信道器電路使用一個四分之一時鐘頻率的本地振蕩器，對該數(shù)字射頻數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化下變頻和濾波，生成一對具有較慢(經(jīng)過抽取的)輸出時鐘速率的數(shù)字同相(i)和正交(q)數(shù)據(jù)字。然后，抽取濾波器的多位數(shù)字i和q輸出信號通過一組片上激勵放大器被放大到2mv左右。該adr芯片的功耗約為4mw；用于維持4k芯片溫度的冷卻器在標(biāo)準(zhǔn)交流電源|穩(wěn)壓器提供的1.2kw基本功率下，大約消耗200mw的功率。hypres將繼續(xù)研發(fā)一種小型的高級冷卻器，消耗的基本功率將不足500mw。

　　數(shù)字接收機(jī)的毫伏級i、q輸出信號以及相應(yīng)的時鐘信號被一組專用的放大器增強(qiáng)到3.3v左右。然后，使用一塊帶fpga(現(xiàn)場可編程門陣列)的pcb(printed-circuit board，印制電路板)采集這些信號。除了采集數(shù)字i、q數(shù)據(jù)之外，該接口電路板還能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)饺我獾暮蠖颂幚砥髦小?br>
　　為了評估其實際性能，去年來自hypres、pm dcats和cerdec的工程技術(shù)人員在位于新澤西州伏特蒙默思的美國軍方j(luò)sec(joint satcom engineering center，聯(lián)合衛(wèi)星通信工程中心)對這款x波段adr(如