俄罗斯的"他激晶体振荡器"是如何替代芯片功能的？

环球网2021-06-22 16:26:304阅

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。

{image=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。

{image=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