前言

現(xiàn)在這個(gè)世界無論是哪一個(gè)國家都要擁有創(chuàng)新能力，然后才能走在發(fā)展的前沿，就像俄羅斯一樣，俄方作出表率，走出新思路研制新技術(shù)，基礎(chǔ)上不怕美國芯片卡脖子。

很多人看到關(guān)于俄羅斯的報(bào)道，應(yīng)該提到的都是這一個(gè)國家關(guān)于[敏感詞]方面的研制，但是說到芯片技術(shù)俄羅斯卻很少會(huì)提到，這是因?yàn)槎砹_斯繼承了蘇聯(lián)[敏感詞]上的制造能力，但是芯片的核心技術(shù)卻沒有。

所以經(jīng)過了那么多年的發(fā)展之后，俄羅斯還是沒有能夠研制出自己的芯片系統(tǒng)，很多人都會(huì)疑問，像中國這樣一個(gè)芯片研制投入比較大的國家到現(xiàn)在都還會(huì)受到美國的卡脖子，難道俄羅斯就不怕突然被美國在技術(shù)上卡脖子嘛？

其實(shí)沒有哪一個(gè)國家不怕自己的發(fā)展受到限制，但是俄羅斯針對美國可能會(huì)有的做法采用了一種新的思路，他們確實(shí)沒有美國那么成熟的技術(shù)，但是他們?nèi)〈酒募夹g(shù)是可以的。

大家可能不知道，小型電子管這個(gè)領(lǐng)域俄羅斯占據(jù)了一定的位置，他們在這樣一個(gè)基礎(chǔ)下研發(fā)出了激晶體振蕩器的技術(shù)。

有作者于2018-19年圍繞"俄羅斯研發(fā)[敏感詞][敏感詞]緣何沒有芯片危機(jī)"這一問題在環(huán)球網(wǎng)上先后發(fā)表三篇網(wǎng)文。這些文章的中心意思是：俄羅斯盡管沒有高端芯片，但他的設(shè)計(jì)人員多方面采取自主創(chuàng)新措施，尤其是提倡揚(yáng)長避短，設(shè)計(jì)出構(gòu)思獨(dú)特，性能優(yōu)良的微波（射頻）電路、模擬電路等來替代[敏感詞]芯片。筆者還以"他激晶體振蕩器"為例，用作中頻相參積累，就是個(gè)成功的范例。這些網(wǎng)文發(fā)表后受到不少網(wǎng)站和讀者的關(guān)注。一些網(wǎng)站全文或摘要轉(zhuǎn)載，還收集讀者的意見，作者還注意到，大部分網(wǎng)站都對此"他激晶體振蕩器"特有興趣。但多數(shù)讀者對何謂中頻積累？何謂他激振蕩？有的自媒體還信口稱"俄羅斯由于設(shè)計(jì)出激晶體振蕩器，解決了芯片問題"。他激振蕩是個(gè)正式電子學(xué)詞匯，它的含義是振蕩電路只有當(dāng)外加激勵(lì)時(shí)才起振蕩，以別于不需外激勵(lì)的自由振蕩。

俄羅斯的這一項(xiàng)新技術(shù)肯定會(huì)讓不了解的人覺得并不好，但實(shí)際上俄羅斯的這一新技術(shù)其實(shí)對于他們的發(fā)展有著巨大的作用。

首先這一技術(shù)應(yīng)用起來能夠讓俄羅斯的安全有保障，其次這一技術(shù)它的精密性很高，你可能都不知道俄羅斯的防空導(dǎo)彈上就應(yīng)用了這樣一技術(shù)。

根據(jù)公開資料，"他激晶體振蕩器"是俄S-300的 "中頻積累器"（ИПЧ-Интегратор Промежточной Частоты ）組合中的核心部件。它的任務(wù)就是完成"中頻相參積累"。下面試圖用科普語言（不是從數(shù)理的角度，所以不太嚴(yán)格）來解釋何謂中頻積累？何謂他激振蕩？最后介紹俄羅斯芯片最近一些新動(dòng)向。希望廣大科普愛好者以及非電子專業(yè)的網(wǎng)友都能看懂，感興趣。說得不對的地方歡迎大家指正。

何謂中頻脈沖積累？

大家知道，雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波信號(hào)往往是極其微弱的，或者說回波的信號(hào)-噪聲比S/N值很低。雷達(dá)的主要任務(wù)首先是把回波從噪聲中提取出來。辦法是設(shè)法提高回波信號(hào)的信噪比，也就是說在提高信號(hào)電平的同時(shí)不提高噪聲的電平，或提高很少（否則信噪比不變，甚至更差）。雷達(dá)原理證明，如果將M個(gè)中頻脈沖回波進(jìn)行相參積累，就可使信噪比（S/N）值提高到原來的M倍。M為積累的脈沖數(shù)。所謂相參積累就是同相相加，就是各中頻信號(hào)的相位必須一致。否則就會(huì)互相抵消一部分甚至全部。這一點(diǎn)讀者從物理概念就能理解。

圖1的上面是雷達(dá)收到的一連串（假定我們一次處理M個(gè)）中頻脈沖回波Ud(t)。因?yàn)檫@些脈沖信號(hào)都來自同一穩(wěn)定信號(hào)源（同一發(fā)射機(jī)），所以脈內(nèi)中頻信號(hào)的相位關(guān)系是相參的，也就是說如果我們將[敏感詞]個(gè)脈沖延時(shí)MT（T為脈沖重復(fù)周期），第二個(gè)脈沖延時(shí)（M-1）T，.....第M個(gè)脈沖延時(shí)T；那么所有脈沖都將在第M+1脈沖處重疊；由于此時(shí)脈沖內(nèi)中頻的相位都是一致的，所以將直接相加；相加后電壓幅度將提高M(jìn)倍，或者說功率增加M^2倍。但噪聲增加不了那么多。因?yàn)樵肼暿请S機(jī)過程，所以不是電壓相加，而是功率相加，最后噪聲功率將增加M倍。所以中頻積累結(jié)果，信噪比將提高M(jìn)^2/M=M倍。這就是中頻脈沖積累的方法和過程。直至目前，中頻積累大多數(shù)就是用精密的延時(shí)線來完成的。

大家可能知道（或至少聽說）現(xiàn)代先進(jìn)雷達(dá)大都采用脈沖多普勒技術(shù)，其實(shí)脈沖多普勒是由中頻（或射頻）脈沖積累技術(shù)演變過來，二者是等效的。只是前者容易數(shù)字實(shí)現(xiàn)而得到廣泛應(yīng)用（從數(shù)學(xué)家看，就是FFT快速傅立葉變換；可以用FPGA或DSP芯片來完成），后者難以數(shù)字實(shí)現(xiàn)，就逐漸被人們忽視。俄羅斯沒有高端芯片，他們不得不從模擬電路和微波電路中去挖掘潛力。

何謂外激晶體振蕩器？

從原理上講，晶體振蕩器也好，他激晶振也好，都是一般的電子電路。但俄羅斯科技人員把它做成中頻積分器，用來實(shí)現(xiàn)中頻相參積累，就是個(gè)構(gòu)思獨(dú)特的創(chuàng)新了。俄羅斯工程師創(chuàng)新地用較簡單的模擬電路-中頻積分器來實(shí)現(xiàn)中頻相參積累（理論上等效FFT）。這種中頻積分器實(shí)際上是一個(gè)外激晶體振蕩器，這種外激晶體振蕩器平時(shí)不振蕩，其自身諧振頻率就是石英晶體頻率fok；它應(yīng)和雷達(dá)的中頻頻率fom一致。只要有中頻信號(hào)Ud(t)輸入，它就會(huì)被激勵(lì)而振蕩。振蕩頻率就是fok=fom。由于雷達(dá)的中頻信號(hào)是被脈沖調(diào)制的（見圖1的Ud(t)），在脈沖持續(xù)期間，晶振工作并作增幅振蕩。而在中頻脈沖間歇期間，晶振停止工作，但由于石英晶體的Q值非常高（高達(dá)10^5-10^6以上），輸出能維持在等幅振蕩值幾乎不變。待下一個(gè)脈沖到來時(shí)，晶振又被激勵(lì)，振蕩幅度再進(jìn)一步增大。然后又維持在更高的等幅振蕩值。如此晶振輸出隨著脈沖不斷到來而不斷上升，這就實(shí)現(xiàn)了中頻脈沖積累。這種中頻積分器的主要性能指標(biāo)（速度、精度等）可與數(shù)字積累比美。

如果回波來自動(dòng)目標(biāo)時(shí)，中頻信號(hào)Ud(t)輸出的頻率將從fom變至fom+fd，此處fd就是表征動(dòng)目標(biāo)徑向速度的多普勒頻率。他激晶振的振蕩頻率也跟著變至fom+fd。也就是說他激晶振有跟蹤動(dòng)目標(biāo)多普勒頻率的能力。只要設(shè)計(jì)得當(dāng)，跟蹤范圍能滿足系統(tǒng)的要求。圖2是他激振蕩器的輸出幅度特性（輸出幅度與多普勒頻率的關(guān)系） 。圖中B為他激晶振輸出3dB帶寬；B值與石英晶體的Q值密切相關(guān)。

據(jù)報(bào)道，即使是俄羅斯的S-400、S-500仍保留不少分立元件構(gòu)成的模擬電路和模塊。他們強(qiáng)調(diào)“繼承中漸進(jìn)創(chuàng)新發(fā)展”道路。原型號(hào)的一些非關(guān)鍵部件，只要穩(wěn)定可靠，就不要輕易更新?lián)Q代。當(dāng)然對關(guān)鍵部分，他們還是不惜花大力氣，不斷改進(jìn)和更新。

對于模擬電路技術(shù)，我總認(rèn)為國內(nèi)尤其高校老師們有一些誤解；一是模擬電路已經(jīng)落后，所以有的高校已經(jīng)取消這門基礎(chǔ)課。二是模擬電路可靠性一定比數(shù)字電路差。實(shí)際上我認(rèn)為，模擬電路作為一種基礎(chǔ)技術(shù)，在相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)“窮途末路”?，F(xiàn)在國內(nèi)畢業(yè)大學(xué)生到單位工作后常常遇到大量模擬電路問題，而這些畢業(yè)生解決實(shí)際問題的能力太差，更不用說有所創(chuàng)新，有所發(fā)明了。

我國晶振專家馮金梅先生生前經(jīng)研究分析后認(rèn)為：這種他激晶振器我們國家也能研發(fā)出；性能可完全和俄的產(chǎn)品相當(dāng)；體積約可縮小一般；總經(jīng)費(fèi)也許只有數(shù)字式（譬如用FPGA芯片構(gòu)成脈沖多普勒）的一半。

俄羅斯芯片一些新動(dòng)態(tài)

據(jù)俄媒報(bào)道，近年來俄在發(fā)展軍用芯片方面也取得一些成績。尤其是SoC(集成小系統(tǒng))芯片，已推出的產(chǎn)品稱"貝加爾-T1"。它采用28nm芯片，1.2GHz主頻。俄方設(shè)計(jì)完后交我國臺(tái)灣省的臺(tái)積電生產(chǎn)，已可批量投產(chǎn)。有網(wǎng)友認(rèn)為28nm芯片水平很低。但筆者曾在網(wǎng)文[3]中指出，軍用芯片不能完全和民用芯片比，因?yàn)檐娪眯酒倪x用條件如體積，功耗等要比民用手機(jī)寬松得多。我在網(wǎng)文[1]中曾引用《簡氏防務(wù)年鑒》中的一句話"美國的F-35戰(zhàn)機(jī)，渾身上下都裝有芯片"。這句話也轉(zhuǎn)而被一些網(wǎng)站所引用，但據(jù)另一國外資料稱：像F-35這類第五代戰(zhàn)機(jī)上所用芯片，要求光刻精度不會(huì)高于20nm。但軍用芯片在環(huán)境使用條件方面的要求，如溫度范圍，抗震，抗輻射，壽命等方面，卻遠(yuǎn)比民用嚴(yán)苛。不只是價(jià)高，而且禁運(yùn)。現(xiàn)在美國也是從這個(gè)方面來卡我們。

據(jù)俄科普雜志《空天界》（Воздушно-космическийрубеж）報(bào)道，有人試驗(yàn)將上述"他激振蕩器"等部件成功集成于貝加爾-T1芯片。當(dāng)然石英晶體是必須有的。估計(jì)體積將進(jìn)一步減小。但是否已用于現(xiàn)役[敏感詞]，例如S-400和S-500系統(tǒng)，尚不得而知，但肯定是個(gè)發(fā)展方向。值得我們關(guān)注。

這些也告訴我們芯片國產(chǎn)化和自主可控，如果我們遇到了問題，我們確實(shí)應(yīng)該去直面他，但是并不是一條路走到黑而是需要有創(chuàng)新，能夠換一個(gè)思維去解決問題，這樣的話或許我們在芯片這個(gè)領(lǐng)域會(huì)做出更好的成就。俄羅斯經(jīng)驗(yàn)給我們提供了很好的借鑒！

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