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“他激晶体振荡器”如何替代核心芯片功能

发布时间:2022-03-18作者来源:萨科微浏览:968

前言


现在这个世界无论是哪一个国家都要拥有创新能力,然后才能走在发展的前沿,就像俄罗斯一样,俄方作出表率,走出新思路研制新技术,基础上不怕美国芯片卡脖子。



很多人看到关于俄罗斯的报道,应该提到的都是这一个国家关于武器方面的研制,但是说到芯片技术俄罗斯却很少会提到,这是因为俄罗斯继承了苏联军事上的制造能力,但是芯片的核心技术却没有。

所以经过了那么多年的发展之后,俄罗斯还是没有能够研制出自己的芯片系统,很多人都会疑问,像中国这样一个芯片研制投入比较大的国家到现在都还会受到美国的卡脖子,难道俄罗斯就不怕突然被美国在技术上卡脖子嘛?


其实没有哪一个国家不怕自己的发展受到限制,但是俄罗斯针对美国可能会有的做法采用了一种新的思路,他们确实没有美国那么成熟的技术,但是他们取代芯片的技术是可以的。

大家可能不知道,小型电子管这个领域俄罗斯占据了一定的位置,他们在这样一个基础下研发出了激晶体振荡器的技术。



有作者于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。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,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?有的自媒体还信口称"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。

俄罗斯的这一项新技术肯定会让不了解的人觉得并不好,但实际上俄罗斯的这一新技术其实对于他们的发展有着巨大的作用。

首先这一技术应用起来能够让俄罗斯的安全有保障,其次这一技术它的精密性很高,你可能都不知道俄罗斯的防空导弹上就应用了这样一技术。



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快速傅立叶变换;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。俄罗斯工程师创新地用较简单的模拟电路-中频积分器来实现中频相参积累(理论上等效FFT)。这种中频积分器实际上是一个外激晶体振荡器,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。这种中频积分器的主要性能指标(速度、精度等)可与数字积累比美。




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。


据报道,即使是俄罗斯的S-400、S-500仍保留不少分立元件构成的模拟电路和模块。他们强调“继承中渐进创新发展”道路。原型号的一些非关键部件,只要稳定可靠,就不要轻易更新换代。当然对关键部分,他们还是不惜花大力气,不断改进和更新。


对于模拟电路技术,我总认为国内尤其高校老师们有一些误解;一是模拟电路已经落后,所以有的高校已经取消这门基础课。二是模拟电路可靠性一定比数字电路差。实际上我认为,模拟电路作为一种基础技术,在相当长一段时间内不会“穷途末路”。现在国内毕业大学生到单位工作后常常遇到大量模拟电路问题,而这些毕业生解决实际问题的能力太差,更不用说有所创新,有所发明了。


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。


这些也告诉我们芯片国产化和自主可控,如果我们遇到了问题,我们确实应该去直面他,但是并不是一条路走到黑而是需要有创新,能够换一个思维去解决问题,这样的话或许我们在芯片这个领域会做出更好的成就。俄罗斯经验给我们提供了很好的借鉴!





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