曹必松教授（中）与团队研发的高温超导接收前端 摄影/司徒哲阳


●学生记者 季耿 李荣沙 付东篱 吴婷婷
如今，手机使用日益广泛，我国手机用户已超过7亿。手机用户都希望使用辐射功率小的手机，获得传输速度高、通话质量好的移动通信服务。高温超导技术的应用为此带来了福音。高温超导材料具有许多神奇的特性，而且转变为超导状态所需的低温条件相对容易实现。这就使高温超导材料具有了广阔的应用前景。自1986年高温超导材料被发现以来，国内外众多科学家对它展开了孜孜不倦的研究，都希望早日将这种低损耗的材料应用到日常生活中，为人类造福。
　　经过近十年不懈的探索，由清华大学物理系曹必松教授带领的研究团队在高温超导材料应用领域取得了突破性的成果，他们研制出了高性能的微波通信用高温超导接收前端，并实现了批量长期稳定运行。这是我国高温超导研究18年来在通信领域的首次实际应用，高温超导材料终于走出了实验室。
　　曹必松教授带领科研团队开拓创新，攻克了高性能超导滤波器、可在液氮温区工作的低噪声前置放大器、高质量金属———超导接触电极制备和高温超导接收前端的系统集成研制等关键技术难题。项目共获得授权发明专利10项，拥有了系统的自主知识产权，研制成功了国际上第一台GSM移动通信用的超导接收前端和第一台适合我国CDMA移动通信的超导接收前端，并实现了高温超导前端的规模和长期应用。经鉴定，超导接收前端的技术指标处于国际领先水平。2010年1月，“微波通信用高温超导接收前端”荣获2009年度国家技术发明奖二等奖。
立项：做中国自己的高温超导接收前端
早在1993年，高温超导材料被发现后不久，曹必松便在物理系建立了课题组，专门从事高温超导材料的研究。经过几年的努力，课题组在理论研究方面取得了一系列重要成果，层层揭开了高温超导材料神奇的面纱。在为理论成果振奋之余，课题组上下希望能将高温超导材料的优良性能应用到实际的生产生活中去。
　　但是，到底要研究它的哪些实际应用呢？因为高温超导滤波器具有接近于理想滤波器的性能，在当时已有国际国内部分科学家尝试用它来制作高性能的滤波器。有些发达国家已获得了高温超导滤波器的一些专利技术，美国甚至已开始尝试将含有高温超导滤波器的接收前端应用于微波通信。
　　这些情况引发了曹必松的思考。中国当时正处于从模拟化通信系统到数字化通信系统的转化时期，十分需要更好的滤波器技术，高温超导滤波器的优异性能正符合这一需要。当时高温超导滤波器的关键设计技术和制备工艺都在发展过程中，掌握这项技术的国家都对外封锁，想要通过简单模仿的途径生产我国自己的高温超导滤波器是行不通的。曹必松看到了高温超导滤波技术的巨大应用前景。通过与国内移动通信公司沟通，曹必松发现他们对高温超导技术很感兴趣，很愿意尝试在移动通信系统中应用这一技术。应用单位的支持给了曹必松很大的信心，经过更深入的论证，曹必松所带领的研究团队于1998年正式确定了下一步的研究方向———走艰苦的自主研发之路，研究中国自己的高温超导接收前端。
研发：在超导薄膜上一分“高下”
　　研制高温超导接收前端，首要的问题就是根据微波中心频率和带宽的需求，设计出高性能的高温超导滤波器，导通所需，滤去干扰。而与常规滤波器所使用的金属材料不同，高温超导材料是一种类似于“三明治”的结构，两层几百纳米厚的超导薄膜附着在介质层两侧，微波通过特殊设计的超导薄膜电路的过程就是微波信号滤波的过程。
　　针对高温超导材料的特点，课题组开拓创新，自主研发了多种微带线滤波器的电路结构和设计方法，利用半导体光刻技术和Ar离子束刻蚀技术，在超导薄膜上刻出滤波器图形，并通过低温在位调谐，成功研制出了结构紧凑、插入损耗小、带边陡度高、带外抑制好的高性能滤波器，充分发挥了高温超导材料的优点，让各种频率的微波在超导薄膜上一分“高下”。
　　此后，项目组又突破了重重技术难关，成功研制了性能优异、可在液氮温区工作的低噪声前置放大器和高质量超导———金属接触电极，并实现了接收前端的系统集成。2001年，国际上第一套GSM移动通信用高温超导接收前端样机在清华研制成功。
产业化：从乡间路到闹市区
接收前端样机的研制成功，大大鼓舞了整个项目组的士气，大家都希望能尽早将产品形成产业化规模，真正应用到移动通信基站的日常运营中去。这时候，中国联通公司也表现出非常积极的意向，希望项目组为联通CDMA制式的移动通信系统研制接收前端。曹必松做了大量的调研工作，并请来了清华大学电子系微波研究方面的专家共同进行论证，发现CDMA系统“蜂窝式”的工作模式更有利于发挥超导滤波器的性能。2002年初，项目组最终决定在联通的CDMA系统上进行应用推广。2002年底，第一套适用于我国CDMA移动通信的高温超导接收前端样机制作成功，开始了它的产业化推广。
　　为了寻找产业化推广的切入点，项目组成员一边继续改进产品功能，一边加紧联系全国的联通公司，寻找合作伙伴。最终，项目组选定河北联通公司，在唐山分公司的一座基站上进行首次应用。
　　但当项目组成员们来到基站现场时，那里的条件大大出乎他们的意料———通信基站竟然建在乡间路旁的一座农场大院里。大院里一边是牛棚，一边是饲料堆，仅留下中间的一小块地方放置基站。几个月下来，在那条蜿蜒的乡间路上，不知道出现了多少次他们来往的身影。项目组成员郭旭波说：“跑一趟基站，早上五点就要起床，晚上十一二点才能回来，很辛苦，但是大家都乐此不疲”。回忆起那时的情形，项目组成员魏斌说：“等我们在那边干熟了，要是赶上院门锁了，我们就入乡随俗，翻墙进去。我现在还记得每次掉进松软的饲料堆里的感觉……”
　　在实际运行的过程中，项目组成员非常注意听取操作人员的反馈意见，针对实际需要，不断改进设备的功能，使实用性获得了很大的提升。“合作单位为我们选了偏远的基站，主要是担心我们的产品会影响整个系统的稳定性。但事实证明，我们的系统很安全，运行效果也很出色。”联通公司的测试报告指出：改用超导前端后，通信系统关键技术指标———手机发射功率降低一半，基站的接收灵敏度、覆盖范围、通话质量和通信容量大幅提高。
　　这是高温超导研究在中国18年来的首次实际应用，它使我国成为了继美国之后，世界上第二个成功研制出高温超导接收前端的国家，此举在国际国内的同行中引起轰动。北京市科委对此给予了极高的评价，认为这一成果“是高温超导材料研究领域里重大的突破”。
　　回想整个研发过程，魏斌深有感触：“整套系统最关键的知识点只有那么几个，但要想真正做出样品来，这其间又有多少不为人知的实际问题等待我们在实践中一一解决。”
　　2005年，产品的产业化推广获得了突破性进展，国家科技部和北京市科委给予项目组很大支持。同时，北京联通公司也与项目组达成协议，准备在北京城区应用该产品。2005年底，在海淀区大钟寺地区建成了北京市第一个高温超导前端应用示范基地，包括中国联通的5个CDMA移动通信基站，覆盖十多万居民，每天24小时为用户提供优质服务，至今已连续运行三年以上———高温超导走进了繁华的闹市区，为我们的日常通信传递起高性能、低功耗的“福音”。
　　
未来：实际应用是前进方向
曹必松的研究团队一直在孜孜不倦地探索着、前进着。他们始终把实际应用作为前进的方向，努力让高温超导材料为人类造福。“如果我们只是为了在杂志上发表几篇论文，那我们的研究很可能在2002年就可以结题了，那样的话就不会有今天的产业化成果，更不会有在实际应用过程中所积累的宝贵技术经验”。
　　也正因如此，他们在高温超导材料应用领域所取得的一系列成果得到了国际国内的高度认可。
　　2006年，在日本举行了纪念高温超导发现20周年学术大会。大会的总结文章在介绍国际上研究和应用高温超导前端最强的研究单位时，主办方将美国的STI公司放在第一位，将清华大学放在第二位，而把日本自己的富士通公司放在了第三位。
　　2008年，中国联通总部组织了大批专业人员，调集资源，与项目组合作，专门针对高温超导接收前端在CDMA系统上的性能做了为期两个月的、系统的网络性能测试，每天24小时不间断。这次系统测试规模之大在整个联通公司也不多见，项目组的老师们感受到了联通公司对提升通信网络所做出的不懈努力。实验的最终结果十分理想，联通公司在此后扩大了应用示范基地的覆盖范围。目前，中国联通总部与项目组正在酝酿着更大规模的合作。
　　郭旭波告诉我们，他在本科毕业设计时就加入了项目组，整个研究过程给了他很多实际应用方面的训练，让他掌握了宝贵的学以致用的本领。
　　郭旭波只是项目组的受益者之一。根据魏斌的介绍，在研发过程中，该项目培养了一大批博士生和硕士生，他们进入通信、电力、航天等领域后，工作都十分出色，项目组收到了很多来自工作单位的积极反馈。“这说明我们的工作与实际应用密切相关，学生在从事研究的同时得到了很好的训练，独立研究和解决问题的能力很强。”
　　在荣誉面前，曹必松和他的科研团队并没有止步不前。“今后，只要是在微波接收方面需要很强的灵敏度和抗干扰能力的项目，就是高温超导滤波器的用武之地，就都是我们前瞻的应用点。实际应用永远是我们前进的方向”，魏斌说道。