汉扬编程 C语言入门 俄罗斯的\”他激晶体振荡器\”是如何替代芯片功能的?

俄罗斯的\”他激晶体振荡器\”是如何替代芯片功能的?

来源:环球网

前言

我于2018-19年围绕\”俄罗斯研发尖端武器缘何没有芯片危机\”这一问题在环球网上先后发表三篇网文(见[1]至[3])。这些文章的中心意思是:俄罗斯尽管没有高端芯片,但他的设计人员多方面采取自主创新措施,尤其是提倡扬长避短,设计出构思独特,性能优良的微波(射频)电路、模拟电路等来替代高档芯片。笔者还以\”他激晶体振荡器\”为例,用作中频相参积累,就是个成功的范例。这些网文发表后受到不少网站和读者的关注。一些网站全文或摘要转载,还收集读者的意见,对此作者谨表感谢。作者还注意到,大部分网站都对此\”他激晶体振荡器\”特有兴趣。但多数读者对何谓中频积累?何谓他激振荡?还是不大清楚。而且有几家网站有抄袭行为(它们没有注明文章的来源和原作者;个别的还篡改了作者名字),看来他们还没有弄清文章的原意,居然都把关键词抄错,信口称\”俄罗斯由于设计出激晶体振荡器,解决了芯片问题\”。他激振荡是个正式电子学词汇,它的含义是振荡电路只有当外加激励时才起振荡,以别于不需外激励的自由振荡。激振荡器是个什么东西?这岂不误导读者,以讹传讹,贻笑大方。

根据公开资料,\”他激晶体振荡器\”是俄S-300的 \”中频积累器\”(ИПЧ-Интегратор Промежточной Частоты )组合中的核心部件。它的任务就是完成\”中频相参积累\”。下面我试图用科普语言(不是从数理的角度,所以不太严格)来解释何谓中频积累?何谓他激振荡?最后介绍俄罗斯芯片最近一些新动向。希望广大科普爱好者以及非电子专业的网友都能看懂,感兴趣。说得不对的地方欢迎大家指正。

何谓中频脉冲积累?

大家知道,雷达接收到的目标回波信号往往是极其微弱的,或者说回波的信号-噪声比S/N值很低。雷达的主要任务首先是把回波从噪声中提取出来。办法是设法提高回波信号的信噪比,也就是说在提高信号电平的同时不提高噪声的电平,或提高很少(否则信噪比不变,甚至更差)。雷达原理证明,如果将M个中频脉冲回波进行相参积累,就可使信噪比(S/N)值提高到原来的M倍。M为积累的脉冲数。所谓相参积累就是同相相加,就是各中频信号的相位必须一致。否则就会互相抵消一部分甚至全部。这一点读者从物理概念就能理解。

图1

图1的上面是雷达收到的一连串(假定我们一次处理M个)中频脉冲回波Ud(t)。因为这些脉冲信号都来自同一稳定信号源(同一发射机),所以脉内中频信号的相位关系是相参的,也就是说如果我们将第一个脉冲延时MT(T为脉冲重复周期),第二个脉冲延时(M-1)T,…..第M个脉冲延时T;那么所有脉冲都将在第M+1脉冲处重叠;由于此时脉冲内中频的相位都是一致的,所以将直接相加;相加后电压幅度将提高M倍,或者说功率增加M^2倍。但噪声增加不了那么多。因为噪声是随机过程,所以不是电压相加,而是功率相加,最后噪声功率将增加M倍。所以中频积累结果,信噪比将提高M^2/M=M倍。这就是中频脉冲积累的方法和过程。直至目前,中频积累大多数就是用精密的延时线来完成的。

大家可能知道(或至少听说)现代先进雷达大都采用脉冲多普勒技术,其实脉冲多普勒是由中频(或射频)脉冲积累技术演变过来,二者是等效的。只是前者容易数字实现而得到广泛应用(从数学家看,就是FFT快速富利哀变换;可以用FPGA或DSP芯片来完成),后者难以数字实现,就逐渐被人们忽视。俄罗斯没有高端芯片,他们不得不从模拟电路和微波电路中去挖掘潜力。

何谓外激晶体振荡器?

从原理上讲,晶体振荡器也好,他激晶振也好,都是一般的电子电路。但俄罗斯科技人员把它做成中频积分器,用来实现中频相参积累,就是个构思独特的创新了。这种外激晶体振荡器平时不振荡,其自身谐振频率就是石英晶体频率fok;它应和雷达的中频频率fom一致。只要有中频信号Ud(t)输入,它就会被激励而振荡。振荡频率就是fok=fom。由于雷达的中频信号是被脉冲调制的(见图1的Ud(t)),在脉冲持续期间,晶振工作并作增幅振荡。而在中频脉冲间歇期间,晶振停止工作,但由于石英晶体的Q值非常高(高达10^5-10^6以上),输出能维持在等幅振荡值几乎不变。待下一个脉冲到来时,晶振又被激励,振荡幅度再进一步增大。然后又维持在更高的等幅振荡值。如此晶振输出随着脉冲不断到来而不断上升,这就实现了中频脉冲积累。

图2

如果回波来自动目标时,中频信号Ud(t)输出的频率将从fom变至fom+fd,此处fd就是表征动目标径向速度的多普勒频率。他激晶振的振荡频率也跟着变至fom+fd。也就是说他激晶振有跟踪动目标多普勒频率的能力。只要设计得当,跟踪范围能满足系统的要求。图2是他激振荡器的输出幅度特性(输出幅度与多普勒频率的关系) 。图中B为他激晶振输出3dB带宽;B值与石英晶体的Q值密切相关。

我国晶振专家冯金梅先生生前经研究分析后认为:这种他激晶振器我们国家也能研发出;性能可完全和俄的产品相当;体积约可缩小一般;总经费也许只有数字式(譬如用FPGA芯片构成脉冲多普勒)的一半。

俄罗斯芯片一些新动态

据俄媒报道,近年来俄在发展军用芯片方面也取得一些成绩。尤其是SoC(集成小系统)芯片,已推出的产品称\”贝加尔-T1\”。它采用28nm芯片,1.2GHz主频。俄方设计完后交我国台湾省的台积电生产,已可批量投产。有网友认为28nm芯片水平很低。但笔者曾在网文[3]中指出,军用芯片不能完全和民用芯片比,因为军用芯片的选用条件如体积,功耗等要比民用手机宽松得多。我在网文[1]中曾引用《简氏防务年鉴》中的一句话\”美国的F-35战机,浑身上下都装有芯片\”。这句话也转而被一些网站所引用,但据另一国外资料称:像F-35这类第五代战机上所用芯片,要求光刻精度不会高于20nm。但军用芯片在环境使用条件方面的要求,如温度范围,抗震,抗辐射,寿命等方面,却远比民用严苛。不只是价高,而且禁运。现在美国也是从这个方面来卡我们。

据俄科普杂志《空天界》(Воздушно-космическийрубеж)报道,有人试验将上述\”他激振荡器\”等部件成功集成于贝加尔-T1芯片。当然石英晶体是必须有的。估计体积将进一步减小。但是否已用于现役武器,例如S-400和S-500系统,尚不得而知,但肯定是个发展方向。值得我们关注。

(注)作者曾发表的有关网文

[1]“从武器装备的观点看当前芯片问题”。环球网2018年8月9日

[2]“芯片危机会卷土重来吗?再论“俄尖端武器缘何没有芯片危机”环球网2020年5月8日

[3]“正确认识和借鉴“俄罗斯没有芯片危机”的经验教训—并揭发某些网文的抄袭行为—”环球网2020年7月27日

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