曹必松教授（中）與團(tuán)隊(duì)研發(fā)的高溫超導(dǎo)接收前端 攝影/司徒哲陽(yáng)


●學(xué)生記者 季耿 李榮沙 付東籬 吳婷婷
如今，手機(jī)使用日益廣泛，我國(guó)手機(jī)用戶已超過7億。手機(jī)用戶都希望使用輻射功率小的手機(jī)，獲得傳輸速度高、通話質(zhì)量好的移動(dòng)通信服務(wù)。高溫超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用為此帶來(lái)了福音。高溫超導(dǎo)材料具有許多神奇的特性，而且轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)狀態(tài)所需的低溫條件相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。這就使高溫超導(dǎo)材料具有了廣闊的應(yīng)用前景。自1986年高溫超導(dǎo)材料被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多科學(xué)家對(duì)它展開了孜孜不倦的研究，都希望早日將這種低損耗的材料應(yīng)用到日常生活中，為人類造福。
　　經(jīng)過近十年不懈的探索，由清華大學(xué)物理系曹必松教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在高溫超導(dǎo)材料應(yīng)用領(lǐng)域取得了突破性的成果，他們研制出了高性能的微波通信用高溫超導(dǎo)接收前端，并實(shí)現(xiàn)了批量長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。這是我國(guó)高溫超導(dǎo)研究18年來(lái)在通信領(lǐng)域的首次實(shí)際應(yīng)用，高溫超導(dǎo)材料終于走出了實(shí)驗(yàn)室。
　　曹必松教授帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)開拓創(chuàng)新，攻克了高性能超導(dǎo)濾波器、可在液氮溫區(qū)工作的低噪聲前置放大器、高質(zhì)量金屬———超導(dǎo)接觸電極制備和高溫超導(dǎo)接收前端的系統(tǒng)集成研制等關(guān)鍵技術(shù)難題。項(xiàng)目共獲得授權(quán)發(fā)明專利10項(xiàng)，擁有了系統(tǒng)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，研制成功了國(guó)際上第一臺(tái)GSM移動(dòng)通信用的超導(dǎo)接收前端和第一臺(tái)適合我國(guó)CDMA移動(dòng)通信的超導(dǎo)接收前端，并實(shí)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)前端的規(guī)模和長(zhǎng)期應(yīng)用。經(jīng)鑒定，超導(dǎo)接收前端的技術(shù)指標(biāo)處于國(guó)際領(lǐng)先水平。2010年1月，“微波通信用高溫超導(dǎo)接收前端”榮獲2009年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
立項(xiàng)：做中國(guó)自己的高溫超導(dǎo)接收前端
早在1993年，高溫超導(dǎo)材料被發(fā)現(xiàn)后不久，曹必松便在物理系建立了課題組，專門從事高溫超導(dǎo)材料的研究。經(jīng)過幾年的努力，課題組在理論研究方面取得了一系列重要成果，層層揭開了高溫超導(dǎo)材料神奇的面紗。在為理論成果振奮之余，課題組上下希望能將高溫超導(dǎo)材料的優(yōu)良性能應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)生活中去。
　　但是，到底要研究它的哪些實(shí)際應(yīng)用呢？因?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)濾波器具有接近于理想濾波器的性能，在當(dāng)時(shí)已有國(guó)際國(guó)內(nèi)部分科學(xué)家嘗試用它來(lái)制作高性能的濾波器。有些發(fā)達(dá)國(guó)家已獲得了高溫超導(dǎo)濾波器的一些專利技術(shù)，美國(guó)甚至已開始嘗試將含有高溫超導(dǎo)濾波器的接收前端應(yīng)用于微波通信。
　　這些情況引發(fā)了曹必松的思考。中國(guó)當(dāng)時(shí)正處于從模擬化通信系統(tǒng)到數(shù)字化通信系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化時(shí)期，十分需要更好的濾波器技術(shù)，高溫超導(dǎo)濾波器的優(yōu)異性能正符合這一需要。當(dāng)時(shí)高溫超導(dǎo)濾波器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)和制備工藝都在發(fā)展過程中，掌握這項(xiàng)技術(shù)的國(guó)家都對(duì)外封鎖，想要通過簡(jiǎn)單模仿的途徑生產(chǎn)我國(guó)自己的高溫超導(dǎo)濾波器是行不通的。曹必松看到了高溫超導(dǎo)濾波技術(shù)的巨大應(yīng)用前景。通過與國(guó)內(nèi)移動(dòng)通信公司溝通，曹必松發(fā)現(xiàn)他們對(duì)高溫超導(dǎo)技術(shù)很感興趣，很愿意嘗試在移動(dòng)通信系統(tǒng)中應(yīng)用這一技術(shù)。應(yīng)用單位的支持給了曹必松很大的信心，經(jīng)過更深入的論證，曹必松所帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)于1998年正式確定了下一步的研究方向———走艱苦的自主研發(fā)之路，研究中國(guó)自己的高溫超導(dǎo)接收前端。
研發(fā)：在超導(dǎo)薄膜上一分“高下”
　　研制高溫超導(dǎo)接收前端，首要的問題就是根據(jù)微波中心頻率和帶寬的需求，設(shè)計(jì)出高性能的高溫超導(dǎo)濾波器，導(dǎo)通所需，濾去干擾。而與常規(guī)濾波器所使用的金屬材料不同，高溫超導(dǎo)材料是一種類似于“三明治”的結(jié)構(gòu)，兩層幾百納米厚的超導(dǎo)薄膜附著在介質(zhì)層兩側(cè)，微波通過特殊設(shè)計(jì)的超導(dǎo)薄膜電路的過程就是微波信號(hào)濾波的過程。
　　針對(duì)高溫超導(dǎo)材料的特點(diǎn)，課題組開拓創(chuàng)新，自主研發(fā)了多種微帶線濾波器的電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法，利用半導(dǎo)體光刻技術(shù)和Ar離子束刻蝕技術(shù)，在超導(dǎo)薄膜上刻出濾波器圖形，并通過低溫在位調(diào)諧，成功研制出了結(jié)構(gòu)緊湊、插入損耗小、帶邊陡度高、帶外抑制好的高性能濾波器，充分發(fā)揮了高溫超導(dǎo)材料的優(yōu)點(diǎn)，讓各種頻率的微波在超導(dǎo)薄膜上一分“高下”。
　　此后，項(xiàng)目組又突破了重重技術(shù)難關(guān)，成功研制了性能優(yōu)異、可在液氮溫區(qū)工作的低噪聲前置放大器和高質(zhì)量超導(dǎo)———金屬接觸電極，并實(shí)現(xiàn)了接收前端的系統(tǒng)集成。2001年，國(guó)際上第一套GSM移動(dòng)通信用高溫超導(dǎo)接收前端樣機(jī)在清華研制成功。
產(chǎn)業(yè)化：從鄉(xiāng)間路到鬧市區(qū)
接收前端樣機(jī)的研制成功，大大鼓舞了整個(gè)項(xiàng)目組的士氣，大家都希望能盡早將產(chǎn)品形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，真正應(yīng)用到移動(dòng)通信基站的日常運(yùn)營(yíng)中去。這時(shí)候，中國(guó)聯(lián)通公司也表現(xiàn)出非常積極的意向，希望項(xiàng)目組為聯(lián)通CDMA制式的移動(dòng)通信系統(tǒng)研制接收前端。曹必松做了大量的調(diào)研工作，并請(qǐng)來(lái)了清華大學(xué)電子系微波研究方面的專家共同進(jìn)行論證，發(fā)現(xiàn)CDMA系統(tǒng)“蜂窩式”的工作模式更有利于發(fā)揮超導(dǎo)濾波器的性能。2002年初，項(xiàng)目組最終決定在聯(lián)通的CDMA系統(tǒng)上進(jìn)行應(yīng)用推廣。2002年底，第一套適用于我國(guó)CDMA移動(dòng)通信的高溫超導(dǎo)接收前端樣機(jī)制作成功，開始了它的產(chǎn)業(yè)化推廣。
　　為了尋找產(chǎn)業(yè)化推廣的切入點(diǎn)，項(xiàng)目組成員一邊繼續(xù)改進(jìn)產(chǎn)品功能，一邊加緊聯(lián)系全國(guó)的聯(lián)通公司，尋找合作伙伴。最終，項(xiàng)目組選定河北聯(lián)通公司，在唐山分公司的一座基站上進(jìn)行首次應(yīng)用。
　　但當(dāng)項(xiàng)目組成員們來(lái)到基站現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，那里的條件大大出乎他們的意料———通信基站竟然建在鄉(xiāng)間路旁的一座農(nóng)場(chǎng)大院里。大院里一邊是牛棚，一邊是飼料堆，僅留下中間的一小塊地方放置基站。幾個(gè)月下來(lái)，在那條蜿蜒的鄉(xiāng)間路上，不知道出現(xiàn)了多少次他們來(lái)往的身影。項(xiàng)目組成員郭旭波說：“跑一趟基站，早上五點(diǎn)就要起床，晚上十一二點(diǎn)才能回來(lái)，很辛苦，但是大家都樂此不?！?。回憶起那時(shí)的情形，項(xiàng)目組成員魏斌說：“等我們?cè)谀沁吀墒炝?，要是趕上院門鎖了，我們就入鄉(xiāng)隨俗，翻墻進(jìn)去。我現(xiàn)在還記得每次掉進(jìn)松軟的飼料堆里的感覺……”
　　在實(shí)際運(yùn)行的過程中，項(xiàng)目組成員非常注意聽取操作人員的反饋意見，針對(duì)實(shí)際需要，不斷改進(jìn)設(shè)備的功能，使實(shí)用性獲得了很大的提升?！昂献鲉挝粸槲覀冞x了偏遠(yuǎn)的基站，主要是擔(dān)心我們的產(chǎn)品會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但事實(shí)證明，我們的系統(tǒng)很安全，運(yùn)行效果也很出色。”聯(lián)通公司的測(cè)試報(bào)告指出：改用超導(dǎo)前端后，通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)———手機(jī)發(fā)射功率降低一半，基站的接收靈敏度、覆蓋范圍、通話質(zhì)量和通信容量大幅提高。
　　這是高溫超導(dǎo)研究在中國(guó)18年來(lái)的首次實(shí)際應(yīng)用，它使我國(guó)成為了繼美國(guó)之后，世界上第二個(gè)成功研制出高溫超導(dǎo)接收前端的國(guó)家，此舉在國(guó)際國(guó)內(nèi)的同行中引起轟動(dòng)。北京市科委對(duì)此給予了極高的評(píng)價(jià)，認(rèn)為這一成果“是高溫超導(dǎo)材料研究領(lǐng)域里重大的突破”。
　　回想整個(gè)研發(fā)過程，魏斌深有感觸：“整套系統(tǒng)最關(guān)鍵的知識(shí)點(diǎn)只有那么幾個(gè)，但要想真正做出樣品來(lái)，這其間又有多少不為人知的實(shí)際問題等待我們?cè)趯?shí)踐中一一解決?！?br>　　2005年，產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化推廣獲得了突破性進(jìn)展，國(guó)家科技部和北京市科委給予項(xiàng)目組很大支持。同時(shí)，北京聯(lián)通公司也與項(xiàng)目組達(dá)成協(xié)議，準(zhǔn)備在北京城區(qū)應(yīng)用該產(chǎn)品。2005年底，在海淀區(qū)大鐘寺地區(qū)建成了北京市第一個(gè)高溫超導(dǎo)前端應(yīng)用示范基地，包括中國(guó)聯(lián)通的5個(gè)CDMA移動(dòng)通信基站，覆蓋十多萬(wàn)居民，每天24小時(shí)為用戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，至今已連續(xù)運(yùn)行三年以上———高溫超導(dǎo)走進(jìn)了繁華的鬧市區(qū)，為我們的日常通信傳遞起高性能、低功耗的“福音”。
　　
未來(lái)：實(shí)際應(yīng)用是前進(jìn)方向
曹必松的研究團(tuán)隊(duì)一直在孜孜不倦地探索著、前進(jìn)著。他們始終把實(shí)際應(yīng)用作為前進(jìn)的方向，努力讓高溫超導(dǎo)材料為人類造福。“如果我們只是為了在雜志上發(fā)表幾篇論文，那我們的研究很可能在2002年就可以結(jié)題了，那樣的話就不會(huì)有今天的產(chǎn)業(yè)化成果，更不會(huì)有在實(shí)際應(yīng)用過程中所積累的寶貴技術(shù)經(jīng)驗(yàn)”。
　　也正因如此，他們?cè)诟邷爻瑢?dǎo)材料應(yīng)用領(lǐng)域所取得的一系列成果得到了國(guó)際國(guó)內(nèi)的高度認(rèn)可。
　　2006年，在日本舉行了紀(jì)念高溫超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)20周年學(xué)術(shù)大會(huì)。大會(huì)的總結(jié)文章在介紹國(guó)際上研究和應(yīng)用高溫超導(dǎo)前端最強(qiáng)的研究單位時(shí)，主辦方將美國(guó)的STI公司放在第一位，將清華大學(xué)放在第二位，而把日本自己的富士通公司放在了第三位。
　　2008年，中國(guó)聯(lián)通總部組織了大批專業(yè)人員，調(diào)集資源，與項(xiàng)目組合作，專門針對(duì)高溫超導(dǎo)接收前端在CDMA系統(tǒng)上的性能做了為期兩個(gè)月的、系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試，每天24小時(shí)不間斷。這次系統(tǒng)測(cè)試規(guī)模之大在整個(gè)聯(lián)通公司也不多見，項(xiàng)目組的老師們感受到了聯(lián)通公司對(duì)提升通信網(wǎng)絡(luò)所做出的不懈努力。實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果十分理想，聯(lián)通公司在此后擴(kuò)大了應(yīng)用示范基地的覆蓋范圍。目前，中國(guó)聯(lián)通總部與項(xiàng)目組正在醞釀著更大規(guī)模的合作。
　　郭旭波告訴我們，他在本科畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)就加入了項(xiàng)目組，整個(gè)研究過程給了他很多實(shí)際應(yīng)用方面的訓(xùn)練，讓他掌握了寶貴的學(xué)以致用的本領(lǐng)。
　　郭旭波只是項(xiàng)目組的受益者之一。根據(jù)魏斌的介紹，在研發(fā)過程中，該項(xiàng)目培養(yǎng)了一大批博士生和碩士生，他們進(jìn)入通信、電力、航天等領(lǐng)域后，工作都十分出色，項(xiàng)目組收到了很多來(lái)自工作單位的積極反饋。“這說明我們的工作與實(shí)際應(yīng)用密切相關(guān)，學(xué)生在從事研究的同時(shí)得到了很好的訓(xùn)練，獨(dú)立研究和解決問題的能力很強(qiáng)?！?br>　　在榮譽(yù)面前，曹必松和他的科研團(tuán)隊(duì)并沒有止步不前。“今后，只要是在微波接收方面需要很強(qiáng)的靈敏度和抗干擾能力的項(xiàng)目，就是高溫超導(dǎo)濾波器的用武之地，就都是我們前瞻的應(yīng)用點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用永遠(yuǎn)是我們前進(jìn)的方向”，魏斌說道。