“电子复兴计划”奏响射频“协奏曲”

陈 瑶,严晓芳,鲁文帅

(中国电子科学研究院,北京 100041)

1 协奏曲(CONCERTO)项目

1.1 项目背景

今天，无人机常常需要安装由各种专用组件构成的功能系统，包含天线、射频电路、处理器等，以实施通信、雷达和电子战任务。受到尺寸、重量和功率(SWaP)的限制，这些单一功能的载荷不能同时加装在空间、载重和功耗均有限的小型无人机上，如果无人机不返回地面更换载荷，就会限制无人机执行不同的任务，而返回后方基地更换任务载荷的过程会严重妨碍任务的有效性。

DARPA在2016-2017年之间，授予了BAE系统公司540万美元的合同，以研发使小型无人机具备在单一多任务载荷条件下执行多任务的能力，这样，可以实时适应不断变化的战场形势和任务需求。

这种灵活性在拒止环境中尤其重要，无人机一次飞行执行多种任务的能力对于穿透对手的防空网并保持作战能力而言是必不可少的，通过在小型平台上共享核心组件，可以使这些小型平台执行任务时更加灵活，或者延长在作战区域执行任务的时间[1-3]。

1.2 项目介绍

该项目是DARPA 微系统技术办公室(MTO)发起的项目，称为协奏曲CONCERTO(全称“为了完成各种射频任务，经汇聚的协同性要素“)，CONCERTO项目聚焦于以一种灵活的射频架构支持通信、雷达、电子战系统共享一套硬件设备，从而满足小型无人机对小尺寸、重量、功耗和成本(SWaP-C)任务载荷的要求。汇聚后的系统将有效在各种情报、监视和侦察(ISR)；指挥控制；网络和战斗行动支援任务之间切换或同时执行多种任务，而不需更换任务载荷。

BAE系统公司也在研发一种灵活的、虚拟的射频处理引擎，可重新配置，以快速支持不同类型任务和同时运行的模式。当处理技术变得更加多样，则BAE系统公司的虚拟技术能为更多平台提供适应性和可扩展能力。该项目是建立在公司关于射频微电子、认知射频处理和多源情报处理等方面经验的基础之上的。

DARPA希望CONCERTO能够赋予小型无人机另一种“察打一体”能力,即在战场上发现高机动、 高威胁的目标后,能够迅速对其发动电子攻击,造成其失能或瘫痪。 相对于使用传统武器进行毁伤,这种能力对于无人机的快速响应能力、 任务切换能力和电磁兼容能力都提出了更高要求。

BAE公司为此专门成立了CONCERTO技术研发部,该部项目经理兰德尔·拉皮埃指出,相关技术将首先在RQ-21A“黑杰克”无人机(见图1)上进行验证。RQ-21A是一款由波音公司下属的Insitu公司为美国海军和海军陆战队研制的小型战术侦察无人机，全长2.5 m，翼展4.8 m，最大起飞重量61 kg、空重36 kg，RQ-21A有六块载荷空间，最大有效载荷17千克，最大起飞功率5.97 kW，最大飞行高度5944 m，机上传感器的视距达102 km，续航时间16小时/天。

图1 RQ-21 A“黑杰克”无人侦察机(组图)

1.3 项目的典型作战概念

(1)在CONCERTO服役之前(即当前作战场景)

无人机执行通信中继任务，为前线部队和基地提供通信中继(如图2) 。当出现不明辐射源信号时(图2中红色菱形符号代表该信号)，无人机需要返回后方基地(如图3)，更换任务载荷，将通信载荷更换为地面动目标指示(GMTI)载荷，才能执行对不明辐射源信号的侦察任务(如图4) 。

图2 无人机执行通信中继任务时，突然出现不明辐射源信号(图中红色菱形符号)

图3 无人机返回基地，更换任务载荷

图4 无人机更换了GMTI载荷后，才能执行对不明辐射源信号的侦察任务

(2)在CONCERTO服役之后(即将来作战场景)

无人机执行通信中继任务，为前线部队和基地提供通信中继(如图2) 。当出现不明辐射源信号时(图2中红色菱形符号代表该信号)，无人机无需返回基地(如图5)，使用一个单一灵活的射频载荷，无人机同时运行通信和GMTI模式，当需要进一步辨识信号时，还可以增加第三种模式：SAR成像模式；同时，仍然保持运行通信和GMTI模式 (如图5)。

图5 采用CONCERTO技术后，无人机可同时维持通信、GMTI和SAR成像等模式

(3)小结

从CONCERTO服役前后的上述作战场景可以看出，CONCERTO能帮助部队抓住稍纵即逝的机会，及时发现目标、识别目标，缩短打击链时间，极大提高装备的作战效能。

2 整合射频系统的思想

在BAE公司所做的CONCERTO演示动画中，提到CONCERTO项目为完成各种RF任务，汇聚各种协同要素，这也是CONCERTO名称的由来。其实，美国关于整合射频系统的思想由来已久，在上世纪，美国为了实现电台的统型，就曾提出联合战术无线系统(JTRS)项目。JTRS于1997年启动，源于美军在“沙漠风暴”等行动中各军兵种协同通信所遭遇的问题，原有通信设备不适应各军兵种联合作战的需求，JTRS项目应运而生，是美军计划于2010年前后服役的支持语音、数据和视频通信的下一代无线电系统，根据不同应用分为车载、机载、舰船和岸基固定站、单兵手持背负式、步兵、多功能信息分发系统等六类新型电台。JTRS基于软件通信架构(SCA)，这是一种基于软件无线电技术的开放式架构，使得可编程的无线电系统能够加载各种信号处理组件和运行各种应用程序，与原有主要的传统波形兼容，支持多种波形并可扩展，大部分是传统波形，通过电台组网形成系统。1998年，高级别的国防部政策备忘录曾要求停止其它新电台的研制工作，希望JTRS成为全军各军种未来使用的统一电台，并逐渐淘汰其他电台，从而节省通信电台的研制和保障费用。JTRS项目的设计理念推动了软件无线电、集成电路和微系统技术的发展。

2014年，DARPA提出了竞争环境下通信(C2E)项目，C2E项目也可看作是JTRS项目的延续和扩展，C2E项目与JTRS项目的思想基本一致，不同之处包含C2E项目需要在电子干扰等复杂电磁环境下，具有灵活的自适应通信能力。C2E项目希望用通用硬件来实现Link16、TTNT、IFDL、MADL、CDL等不同数据链，即对数据链统一硬件设备。传统数据链硬件结构图和C2E项目的数据链硬件架构图见图6。因此，采用C2E架构后，在小型无人机等平台上安装的数据链系统能很好的满足小型平台对SWaP的要求。

图6 传统数据链硬件结构图(a)与C2E项目数据链硬件架构的对比

除CONCERTO、JTRS、C2E等项目之外，包含整合射频系统思想的例子还有很多，这里不再一一枚举。上述这些应用级系统的例子，都有一个共同特点，就是需要拥有具备优良SWaP-C性能和开放架构的微系统，典型的例子是DARPA ACT(以商业技术节律发展的阵列)项目正在发展的多平台通用射频前端模块(RF FEM)[4-5]。

3 电子复兴计划(ERI)和联合大学微电子学计划(JUMP)

目前，集成电路特征尺寸已达5纳米，半导体集成电路技术已逼近物理、工艺、成本极限。通过进一步降低晶体管尺寸以提高芯片集成度和提升集成电路性能等传统手段，技术难度大、成本高。近年，随着新型电子器件创新速度放缓，加之先进技术的全球扩散，美国认为其在半导体集成电路领域的技术领先优势正在下降。为此，DARPA于2017年6月提出电子复兴计划。2018年7月23～25日，DARPA召开首届电子复兴计划年度峰会，明确了该计划的领域布局、推进思路、项目安排，标志着计划进入全面实施阶段。电子复兴计划是美国探索集成电路技术发展新路径、争夺后摩尔时代电子工业绝对优势的重要举措，有望开启下一次电子革命。

电子复兴计划由DARPA微系统办公室牵头，相关工业企业和大学共同参与，包含3部分，即：DARPA前期在研的传统项目(traditional programs)和JUMP项目以及新增的Page3项目(如图7所示)。其中，Page3项目于2018年7月正式启动，主要包含3大研究领域及6大项目。3大领域分别为：第一，材料与集成领域，主要采用集成非传统电子材料的方式，与传统硅基材料相比，新材料可继续提升集成电路的集成规模；第二，系统架构领域，通过研究新的系统架构，使人们既能享受专用芯片的效率红利，又能享受通用芯片的编程结构便利；第三，电路设计领域，通过新的设计工具，极大降低设计现代的片上系统所需要的时间和复杂度，开启电路与系统专业的新时代。6大项目及其特点见表1。

图7 电子复兴计划(ERI)以及ERI与之前JUMP项目之间的关系

联合大学微电子学计划(JUMP)是DARPA和半导体研究公司(SRC，Semiconductor Research Corporation)联合资助的最大基础性电子研究工作。致力于将资源集中在高风险、 高收益、需要长期创新研究的项目上面，通过联合美国众多一流高校和研究所进行多学科跨领域的大规模长期合作，为美国国防部在先进的雷达、 通信和武器系统方面提供无与伦比的技术优势，目标是大幅度提高各类商用和军用电子系统的性能、 效率和能力。JUMP与Page3相互补益，JUMP侧重于基础和探索性研究， Page3则更接近应用和产业发展。因此JUMP以及其他传统项目成为Page3项目的基础。JUMP研究的组织结构图见图8。

当前，美国战争样式已逐渐从以重装平台为中心的网络战时代过渡到以蜂群、分布式杀伤、马赛克等为特征的网络战时代，小型化、智能化、无人化、具备自适应能力的平台的比重日益增大，这类应用系统对整合射频载荷的需求更加急迫，必然要求微系统技术能够发展到与之相匹配的水平。由此可知，一旦以电子复兴计划为代表的微系统技术实现突破，美国的作战水平将获得跨越式提升,形成代系超越优势。以此看，当前电子复兴计划与整合射频类应用系统的关系，仿佛就是上世纪八十年代微波毫米波单片集成电路计划(MIMIC)与智能弹药武器系统关系的翻版和升级。

表1 Page3项目的3大研究领域及6大项目

图8 JUMP研究的组织结构图

4 MIMIC计划

智能弹药导航和控制团队(smart munitions guidance and control community)对导弹上毫米波寻的器成本的关注，成为启动微波/毫米波单片集成电路(Microwave/Millimeter Wave Monolithic Integrated Circuit，简称MIMIC)计划生成的一个主要原因。1985年，国防部专门成立了由国防部长办公室、陆军、海军、空军、DARPA、战略防御倡议局(SDIO，即导弹防御局的前身)代表组成的国防部工作小组，对MIMIC计划的可行性进行调查，该小组的报告促使国防部于1986年启动MIMIC计划。MIMIC计划创造了新一代的半导体器件-砷化镓，随之，砷化镓以及之后的氮化镓技术带来了相控阵技术的突破，而相控阵技术在雷达等装备上的广泛应用，以代系优势大幅提升了现代部队的军力。上世纪九十年代的MIMIC计划尚属于对核心技术的突破，而未来电子复兴计划将带来体系性的突破，力求开创后摩尔时代集成电路和微系统的全新体系。

5 结 语

一代材料、一代工艺、一代器件、一代装备、一代战争样式，这是对研究新型战争样式及其装备研制过程的总结。美国为保持自身军事优势，一直把集成电路和微系统作为国家的关键战略工业来抓，以作战和装备的应用需求为牵引、以政府和军事部门的巨额资助为经济基础、以一流高校和工业部门的资源为技术基础、以巨大的军事和商业市场前景为保障，为军事装备的全产业链发展创造了一个良好的环境，这也是美国半个多世纪以来一直引领技术发展方向的内在动力。在八、九十年代，我国因战略意识、工业基础和投资力度等原因没能成为MIMIC技术和智能弹药系统的引领者；当新一轮的技术竞赛来临时，我国除增强战略意识和投入之外，还必须强化应用系统与微系统技术的关联，加强应用系统和微系统研发人员之间的合作，才能奏响自身的射频协奏曲，在未来占据军事和技术优势。