俄羅斯的"他激晶體振盪器"是如何替代芯片功能的？

前言

我於2018-19年圍繞"俄羅斯研發尖端武器緣何沒有芯片危機"這一問題在環球網上先後發表三篇網文（見[1]至[3])。這些文章的中心意思是：俄羅斯儘管沒有高端芯片，但他的設計人員多方面採取自主創新措施，尤其是提倡揚長避短，設計出構思獨特，性能優良的微波（射頻）電路、模擬電路等來替代高檔芯片。筆者還以"他激晶體振盪器"為例，用作中頻相參積累，就是個成功的範例。這些網文發表後受到不少網站和讀者的關注。一些網站全文或摘要轉載，還收集讀者的意見，對此作者謹表感謝。作者還注意到，大部分網站都對此"他激晶體振盪器"特有興趣。但多數讀者對何謂中頻積累？何謂他激振盪？還是不大清楚。而且有幾家網站有抄襲行為（它們沒有註明文章的來源和原作者；個別的還篡改了作者名字），看來他們還沒有弄清文章的原意，居然都把關鍵詞抄錯，信口稱"俄羅斯由於設計出激晶體振盪器，解決了芯片問題"。他激振盪是個正式電子學詞彙，它的含義是振盪電路只有當外加激勵時才起振盪，以別於不需外激勵的自由振盪。激振盪器是個什麼東西？這豈不誤導讀者，以訛傳訛，貽笑大方。

根據公開資料，“他激晶體振盪器"是俄S-300的 “中頻積累器”（ИПЧ-Интегратор Промежточной Частоты ）組合中的核心部件。它的任務就是完成"中頻相參積累”。下面我試圖用科普語言（不是從數理的角度，所以不太嚴格）來解釋何謂中頻積累？何謂他激振盪？最後介紹俄羅斯芯片最近一些新動向。希望廣大科普愛好者以及非電子專業的網友都能看懂，感興趣。説得不對的地方歡迎大家指正。

何謂中頻脈衝積累？

大家知道，雷達接收到的目標回波信號往往是極其微弱的，或者説回波的信號-噪聲比S/N值很低。雷達的主要任務首先是把回波從噪聲中提取出來。辦法是設法提高回波信號的信噪比，也就是説在提高信號電平的同時不提高噪聲的電平，或提高很少（否則信噪比不變，甚至更差）。雷達原理證明，如果將M箇中頻脈衝回波進行相參積累，就可使信噪比（S/N）值提高到原來的M倍。M為積累的脈衝數。所謂相參積累就是同相相加，就是各中頻信號的相位必須一致。否則就會互相抵消一部分甚至全部。這一點讀者從物理概念就能理解。

圖1的上面是雷達收到的一連串（假定我們一次處理M個）中頻脈衝回波Ud(t)。因為這些脈衝信號都來自同一穩定信號源（同一發射機），所以脈內中頻信號的相位關係是相參的，也就是説如果我們將第一個脈衝延時MT（T為脈衝重複週期），第二個脈衝延時（M-1）T，…..第M個脈衝延時T；那麼所有脈衝都將在第M+1脈衝處重疊；由於此時脈衝內中頻的相位都是一致的，所以將直接相加；相加後電壓幅度將提高M倍，或者説功率增加M^2倍。但噪聲增加不了那麼多。因為噪聲是隨機過程，所以不是電壓相加，而是功率相加，最後噪聲功率將增加M倍。所以中頻積累結果，信噪比將提高M^2/M=M倍。這就是中頻脈衝積累的方法和過程。直至目前，中頻積累大多數就是用精密的延時線來完成的。

大家可能知道（或至少聽説）現代先進雷達大都採用脈衝多普勒技術，其實脈衝多普勒是由中頻（或射頻）脈衝積累技術演變過來，二者是等效的。只是前者容易數字實現而得到廣泛應用（從數學家看，就是FFT快速富利哀變換；可以用FPGA或DSP芯片來完成），後者難以數字實現，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。

何謂外激晶體振盪器？

從原理上講，晶體振盪器也好，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，用來實現中頻相參積累，就是個構思獨特的創新了。這種外激晶體振盪器平時不振盪，其自身諧振頻率就是石英晶體頻率fok；它應和雷達的中頻頻率fom一致。只要有中頻信號Ud(t)輸入，它就會被激勵而振盪。振盪頻率就是fok=fom。由於雷達的中頻信號是被脈衝調製的（見圖1的Ud(t)），在脈衝持續期間，晶振工作並作增幅振盪。而在中頻脈衝間歇期間，晶振停止工作，但由於石英晶體的Q值非常高（高達10^5-10^6以上），輸出能維持在等幅振盪值幾乎不變。待下一個脈衝到來時，晶振又被激勵，振盪幅度再進一步增大。然後又維持在更高的等幅振盪值。如此晶振輸出隨着脈衝不斷到來而不斷上升，這就實現了中頻脈衝積累。

如果回波來自動目標時，中頻信號Ud(t)輸出的頻率將從fom變至fom+fd，此處fd就是表徵動目標徑向速度的多普勒頻率。他激晶振的振盪頻率也跟着變至fom+fd。也就是説他激晶振有跟蹤動目標多普勒頻率的能力。只要設計得當，跟蹤範圍能滿足系統的要求。圖2是他激振盪器的輸出幅度特性（輸出幅度與多普勒頻率的關係） 。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。

我國晶振專家馮金梅先生生前經研究分析後認為：這種他激晶振器我們國家也能研發出；性能可完全和俄的產品相當；體積約可縮小一般；總經費也許只有數字式（譬如用FPGA芯片構成脈衝多普勒）的一半。

俄羅斯芯片一些新動態

據俄媒報道，近年來俄在發展軍用芯片方面也取得一些成績。尤其是SoC(集成小系統)芯片，已推出的產品稱"貝加爾-T1"。它採用28nm芯片，1.2GHz主頻。俄方設計完後交我國台灣省的台積電生產，已可批量投產。有網友認為28nm芯片水平很低。但筆者曾在網文[3]中指出，軍用芯片不能完全和民用芯片比，因為軍用芯片的選用條件如體積，功耗等要比民用手機寬鬆得多。我在網文[1]中曾引用《簡氏防務年鑑》中的一句話"美國的F-35戰機，渾身上下都裝有芯片"。這句話也轉而被一些網站所引用，但據另一國外資料稱：像F-35這類第五代戰機上所用芯片，要求光刻精度不會高於20nm。但軍用芯片在環境使用條件方面的要求，如温度範圍，抗震，抗輻射，壽命等方面，卻遠比民用嚴苛。不只是價高，而且禁運。現在美國也是從這個方面來卡我們。

據俄科普雜誌《空天界》（Воздушно-космическийрубеж）報道，有人試驗將上述"他激振盪器"等部件成功集成於貝加爾-T1芯片。當然石英晶體是必須有的。估計體積將進一步減小。但是否已用於現役武器，例如S-400和S-500系統，尚不得而知，但肯定是個發展方向。值得我們關注。

（注）作者曾發表的有關網文

[1]“從武器裝備的觀點看當前芯片問題”。環球網2018年8月9日

[2]“芯片危機會捲土重來嗎？再論“俄尖端武器緣何沒有芯片危機”環球網2020年5月8日

[3]“正確認識和借鑑“俄羅斯沒有芯片危機”的經驗教訓—並揭發某些網文的抄襲行為—”環球網2020年7月27日