“電子復(fù)興計劃”奏響射頻“協(xié)奏曲”

陳 瑤,嚴(yán)曉芳,魯文帥

(中國電子科學(xué)研究院,北京 100041)

1 協(xié)奏曲(CONCERTO)項目

1.1 項目背景

今天，無人機常常需要安裝由各種專用組件構(gòu)成的功能系統(tǒng)，包含天線、射頻電路、處理器等，以實施通信、雷達(dá)和電子戰(zhàn)任務(wù)。受到尺寸、重量和功率(SWaP)的限制，這些單一功能的載荷不能同時加裝在空間、載重和功耗均有限的小型無人機上，如果無人機不返回地面更換載荷，就會限制無人機執(zhí)行不同的任務(wù)，而返回后方基地更換任務(wù)載荷的過程會嚴(yán)重妨礙任務(wù)的有效性。

DARPA在2016-2017年之間，授予了BAE系統(tǒng)公司540萬美元的合同，以研發(fā)使小型無人機具備在單一多任務(wù)載荷條件下執(zhí)行多任務(wù)的能力，這樣，可以實時適應(yīng)不斷變化的戰(zhàn)場形勢和任務(wù)需求。

這種靈活性在拒止環(huán)境中尤其重要，無人機一次飛行執(zhí)行多種任務(wù)的能力對于穿透對手的防空網(wǎng)并保持作戰(zhàn)能力而言是必不可少的，通過在小型平臺上共享核心組件，可以使這些小型平臺執(zhí)行任務(wù)時更加靈活，或者延長在作戰(zhàn)區(qū)域執(zhí)行任務(wù)的時間[1-3]。

1.2 項目介紹

該項目是DARPA 微系統(tǒng)技術(shù)辦公室(MTO)發(fā)起的項目，稱為協(xié)奏曲CONCERTO(全稱“為了完成各種射頻任務(wù)，經(jīng)匯聚的協(xié)同性要素“)，CONCERTO項目聚焦于以一種靈活的射頻架構(gòu)支持通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)共享一套硬件設(shè)備，從而滿足小型無人機對小尺寸、重量、功耗和成本(SWaP-C)任務(wù)載荷的要求。匯聚后的系統(tǒng)將有效在各種情報、監(jiān)視和偵察(ISR)；指揮控制；網(wǎng)絡(luò)和戰(zhàn)斗行動支援任務(wù)之間切換或同時執(zhí)行多種任務(wù)，而不需更換任務(wù)載荷。

BAE系統(tǒng)公司也在研發(fā)一種靈活的、虛擬的射頻處理引擎，可重新配置，以快速支持不同類型任務(wù)和同時運行的模式。當(dāng)處理技術(shù)變得更加多樣，則BAE系統(tǒng)公司的虛擬技術(shù)能為更多平臺提供適應(yīng)性和可擴展能力。該項目是建立在公司關(guān)于射頻微電子、認(rèn)知射頻處理和多源情報處理等方面經(jīng)驗的基礎(chǔ)之上的。

DARPA希望CONCERTO能夠賦予小型無人機另一種“察打一體”能力,即在戰(zhàn)場上發(fā)現(xiàn)高機動、 高威脅的目標(biāo)后,能夠迅速對其發(fā)動電子攻擊,造成其失能或癱瘓。 相對于使用傳統(tǒng)武器進(jìn)行毀傷,這種能力對于無人機的快速響應(yīng)能力、 任務(wù)切換能力和電磁兼容能力都提出了更高要求。

BAE公司為此專門成立了CONCERTO技術(shù)研發(fā)部,該部項目經(jīng)理蘭德爾·拉皮埃指出,相關(guān)技術(shù)將首先在RQ-21A“黑杰克”無人機(見圖1)上進(jìn)行驗證。RQ-21A是一款由波音公司下屬的Insitu公司為美國海軍和海軍陸戰(zhàn)隊研制的小型戰(zhàn)術(shù)偵察無人機，全長2.5 m，翼展4.8 m，最大起飛重量61 kg、空重36 kg，RQ-21A有六塊載荷空間，最大有效載荷17千克，最大起飛功率5.97 kW，最大飛行高度5944 m，機上傳感器的視距達(dá)102 km，續(xù)航時間16小時/天。

圖1 RQ-21 A“黑杰克”無人偵察機(組圖)

1.3 項目的典型作戰(zhàn)概念

(1)在CONCERTO服役之前(即當(dāng)前作戰(zhàn)場景)

無人機執(zhí)行通信中繼任務(wù)，為前線部隊和基地提供通信中繼(如圖2) 。當(dāng)出現(xiàn)不明輻射源信號時(圖2中紅色菱形符號代表該信號)，無人機需要返回后方基地(如圖3)，更換任務(wù)載荷，將通信載荷更換為地面動目標(biāo)指示(GMTI)載荷，才能執(zhí)行對不明輻射源信號的偵察任務(wù)(如圖4) 。

圖2 無人機執(zhí)行通信中繼任務(wù)時，突然出現(xiàn)不明輻射源信號(圖中紅色菱形符號)

圖3 無人機返回基地，更換任務(wù)載荷

圖4 無人機更換了GMTI載荷后，才能執(zhí)行對不明輻射源信號的偵察任務(wù)

(2)在CONCERTO服役之后(即將來作戰(zhàn)場景)

無人機執(zhí)行通信中繼任務(wù)，為前線部隊和基地提供通信中繼(如圖2) 。當(dāng)出現(xiàn)不明輻射源信號時(圖2中紅色菱形符號代表該信號)，無人機無需返回基地(如圖5)，使用一個單一靈活的射頻載荷，無人機同時運行通信和GMTI模式，當(dāng)需要進(jìn)一步辨識信號時，還可以增加第三種模式：SAR成像模式；同時，仍然保持運行通信和GMTI模式 (如圖5)。

圖5 采用CONCERTO技術(shù)后，無人機可同時維持通信、GMTI和SAR成像等模式

(3)小結(jié)

從CONCERTO服役前后的上述作戰(zhàn)場景可以看出，CONCERTO能幫助部隊抓住稍縱即逝的機會，及時發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、識別目標(biāo)，縮短打擊鏈時間，極大提高裝備的作戰(zhàn)效能。

2 整合射頻系統(tǒng)的思想

在BAE公司所做的CONCERTO演示動畫中，提到CONCERTO項目為完成各種RF任務(wù)，匯聚各種協(xié)同要素，這也是CONCERTO名稱的由來。其實，美國關(guān)于整合射頻系統(tǒng)的思想由來已久，在上世紀(jì)，美國為了實現(xiàn)電臺的統(tǒng)型，就曾提出聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線系統(tǒng)(JTRS)項目。JTRS于1997年啟動，源于美軍在“沙漠風(fēng)暴”等行動中各軍兵種協(xié)同通信所遭遇的問題，原有通信設(shè)備不適應(yīng)各軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)的需求，JTRS項目應(yīng)運而生，是美軍計劃于2010年前后服役的支持語音、數(shù)據(jù)和視頻通信的下一代無線電系統(tǒng)，根據(jù)不同應(yīng)用分為車載、機載、艦船和岸基固定站、單兵手持背負(fù)式、步兵、多功能信息分發(fā)系統(tǒng)等六類新型電臺。JTRS基于軟件通信架構(gòu)(SCA)，這是一種基于軟件無線電技術(shù)的開放式架構(gòu)，使得可編程的無線電系統(tǒng)能夠加載各種信號處理組件和運行各種應(yīng)用程序，與原有主要的傳統(tǒng)波形兼容，支持多種波形并可擴展，大部分是傳統(tǒng)波形，通過電臺組網(wǎng)形成系統(tǒng)。1998年，高級別的國防部政策備忘錄曾要求停止其它新電臺的研制工作，希望JTRS成為全軍各軍種未來使用的統(tǒng)一電臺，并逐漸淘汰其他電臺，從而節(jié)省通信電臺的研制和保障費用。JTRS項目的設(shè)計理念推動了軟件無線電、集成電路和微系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展。

2014年，DARPA提出了競爭環(huán)境下通信(C2E)項目，C2E項目也可看作是JTRS項目的延續(xù)和擴展，C2E項目與JTRS項目的思想基本一致，不同之處包含C2E項目需要在電子干擾等復(fù)雜電磁環(huán)境下，具有靈活的自適應(yīng)通信能力。C2E項目希望用通用硬件來實現(xiàn)Link16、TTNT、IFDL、MADL、CDL等不同數(shù)據(jù)鏈，即對數(shù)據(jù)鏈統(tǒng)一硬件設(shè)備。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈硬件結(jié)構(gòu)圖和C2E項目的數(shù)據(jù)鏈硬件架構(gòu)圖見圖6。因此，采用C2E架構(gòu)后，在小型無人機等平臺上安裝的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)能很好的滿足小型平臺對SWaP的要求。

圖6 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈硬件結(jié)構(gòu)圖(a)與C2E項目數(shù)據(jù)鏈硬件架構(gòu)的對比

除CONCERTO、JTRS、C2E等項目之外，包含整合射頻系統(tǒng)思想的例子還有很多，這里不再一一枚舉。上述這些應(yīng)用級系統(tǒng)的例子，都有一個共同特點，就是需要擁有具備優(yōu)良SWaP-C性能和開放架構(gòu)的微系統(tǒng)，典型的例子是DARPA ACT(以商業(yè)技術(shù)節(jié)律發(fā)展的陣列)項目正在發(fā)展的多平臺通用射頻前端模塊(RF FEM)[4-5]。

3 電子復(fù)興計劃(ERI)和聯(lián)合大學(xué)微電子學(xué)計劃(JUMP)

目前，集成電路特征尺寸已達(dá)5納米，半導(dǎo)體集成電路技術(shù)已逼近物理、工藝、成本極限。通過進(jìn)一步降低晶體管尺寸以提高芯片集成度和提升集成電路性能等傳統(tǒng)手段，技術(shù)難度大、成本高。近年，隨著新型電子器件創(chuàng)新速度放緩，加之先進(jìn)技術(shù)的全球擴散，美國認(rèn)為其在半導(dǎo)體集成電路領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢正在下降。為此，DARPA于2017年6月提出電子復(fù)興計劃。2018年7月23～25日，DARPA召開首屆電子復(fù)興計劃年度峰會，明確了該計劃的領(lǐng)域布局、推進(jìn)思路、項目安排，標(biāo)志著計劃進(jìn)入全面實施階段。電子復(fù)興計劃是美國探索集成電路技術(shù)發(fā)展新路徑、爭奪后摩爾時代電子工業(yè)絕對優(yōu)勢的重要舉措，有望開啟下一次電子革命。

電子復(fù)興計劃由DARPA微系統(tǒng)辦公室牽頭，相關(guān)工業(yè)企業(yè)和大學(xué)共同參與，包含3部分，即：DARPA前期在研的傳統(tǒng)項目(traditional programs)和JUMP項目以及新增的Page3項目(如圖7所示)。其中，Page3項目于2018年7月正式啟動，主要包含3大研究領(lǐng)域及6大項目。3大領(lǐng)域分別為：第一，材料與集成領(lǐng)域，主要采用集成非傳統(tǒng)電子材料的方式，與傳統(tǒng)硅基材料相比，新材料可繼續(xù)提升集成電路的集成規(guī)模；第二，系統(tǒng)架構(gòu)領(lǐng)域，通過研究新的系統(tǒng)架構(gòu)，使人們既能享受專用芯片的效率紅利，又能享受通用芯片的編程結(jié)構(gòu)便利；第三，電路設(shè)計領(lǐng)域，通過新的設(shè)計工具，極大降低設(shè)計現(xiàn)代的片上系統(tǒng)所需要的時間和復(fù)雜度，開啟電路與系統(tǒng)專業(yè)的新時代。6大項目及其特點見表1。

圖7 電子復(fù)興計劃(ERI)以及ERI與之前JUMP項目之間的關(guān)系

聯(lián)合大學(xué)微電子學(xué)計劃(JUMP)是DARPA和半導(dǎo)體研究公司(SRC，Semiconductor Research Corporation)聯(lián)合資助的最大基礎(chǔ)性電子研究工作。致力于將資源集中在高風(fēng)險、 高收益、需要長期創(chuàng)新研究的項目上面，通過聯(lián)合美國眾多一流高校和研究所進(jìn)行多學(xué)科跨領(lǐng)域的大規(guī)模長期合作，為美國國防部在先進(jìn)的雷達(dá)、 通信和武器系統(tǒng)方面提供無與倫比的技術(shù)優(yōu)勢，目標(biāo)是大幅度提高各類商用和軍用電子系統(tǒng)的性能、 效率和能力。JUMP與Page3相互補益，JUMP側(cè)重于基礎(chǔ)和探索性研究， Page3則更接近應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因此JUMP以及其他傳統(tǒng)項目成為Page3項目的基礎(chǔ)。JUMP研究的組織結(jié)構(gòu)圖見圖8。

當(dāng)前，美國戰(zhàn)爭樣式已逐漸從以重裝平臺為中心的網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)時代過渡到以蜂群、分布式殺傷、馬賽克等為特征的網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)時代，小型化、智能化、無人化、具備自適應(yīng)能力的平臺的比重日益增大，這類應(yīng)用系統(tǒng)對整合射頻載荷的需求更加急迫，必然要求微系統(tǒng)技術(shù)能夠發(fā)展到與之相匹配的水平。由此可知，一旦以電子復(fù)興計劃為代表的微系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)突破，美國的作戰(zhàn)水平將獲得跨越式提升,形成代系超越優(yōu)勢。以此看，當(dāng)前電子復(fù)興計劃與整合射頻類應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)系，仿佛就是上世紀(jì)八十年代微波毫米波單片集成電路計劃(MIMIC)與智能彈藥武器系統(tǒng)關(guān)系的翻版和升級。

表1 Page3項目的3大研究領(lǐng)域及6大項目

圖8 JUMP研究的組織結(jié)構(gòu)圖

4 MIMIC計劃

智能彈藥導(dǎo)航和控制團(tuán)隊(smart munitions guidance and control community)對導(dǎo)彈上毫米波尋的器成本的關(guān)注，成為啟動微波/毫米波單片集成電路(Microwave/Millimeter Wave Monolithic Integrated Circuit，簡稱MIMIC)計劃生成的一個主要原因。1985年，國防部專門成立了由國防部長辦公室、陸軍、海軍、空軍、DARPA、戰(zhàn)略防御倡議局(SDIO，即導(dǎo)彈防御局的前身)代表組成的國防部工作小組，對MIMIC計劃的可行性進(jìn)行調(diào)查，該小組的報告促使國防部于1986年啟動MIMIC計劃。MIMIC計劃創(chuàng)造了新一代的半導(dǎo)體器件-砷化鎵，隨之，砷化鎵以及之后的氮化鎵技術(shù)帶來了相控陣技術(shù)的突破，而相控陣技術(shù)在雷達(dá)等裝備上的廣泛應(yīng)用，以代系優(yōu)勢大幅提升了現(xiàn)代部隊的軍力。上世紀(jì)九十年代的MIMIC計劃尚屬于對核心技術(shù)的突破，而未來電子復(fù)興計劃將帶來體系性的突破，力求開創(chuàng)后摩爾時代集成電路和微系統(tǒng)的全新體系。

5 結(jié) 語

一代材料、一代工藝、一代器件、一代裝備、一代戰(zhàn)爭樣式，這是對研究新型戰(zhàn)爭樣式及其裝備研制過程的總結(jié)。美國為保持自身軍事優(yōu)勢，一直把集成電路和微系統(tǒng)作為國家的關(guān)鍵戰(zhàn)略工業(yè)來抓，以作戰(zhàn)和裝備的應(yīng)用需求為牽引、以政府和軍事部門的巨額資助為經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)、以一流高校和工業(yè)部門的資源為技術(shù)基礎(chǔ)、以巨大的軍事和商業(yè)市場前景為保障，為軍事裝備的全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展創(chuàng)造了一個良好的環(huán)境，這也是美國半個多世紀(jì)以來一直引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展方向的內(nèi)在動力。在八、九十年代，我國因戰(zhàn)略意識、工業(yè)基礎(chǔ)和投資力度等原因沒能成為MIMIC技術(shù)和智能彈藥系統(tǒng)的引領(lǐng)者；當(dāng)新一輪的技術(shù)競賽來臨時，我國除增強戰(zhàn)略意識和投入之外，還必須強化應(yīng)用系統(tǒng)與微系統(tǒng)技術(shù)的關(guān)聯(lián)，加強應(yīng)用系統(tǒng)和微系統(tǒng)研發(fā)人員之間的合作，才能奏響自身的射頻協(xié)奏曲，在未來占據(jù)軍事和技術(shù)優(yōu)勢。