第32卷第7期2010年7月
现代雷达
ModemRadar
V01.32No.7
July2010
・专家哼釜’云・
中图分类号:TN99文献标识码:A文章编号:1004—7859(2010)07—0001—06
军用电子信息技术发展综述
周万幸
(南京电子技术研究所。
南京210039)
摘要:军事电子信息技术是军事电子装备开发应用的重要研究内容,文中阐述了信息基础技术(包括微电子、光电子、真空
电子器件等技术)、计算机技术、通信技术、探测技术、导航技术的发展现状,给出这些技术在未来lO年的发展态势和技术水平展望,指出其对未来武器装备与作战能力的影响。关键词:微电子技术;计算机技术;探测技术;导航技术
Development
(Nanjing
of
MilitaryElectronicInformationTechnology
Nanjing210039,China)
ZHOUWan.xing
ResearchInstituteofElectronicsTechnology,
Abstract:Militaryelectronicinformationtechnologyisthefocusofmilitaryelectronicequipmentdevelopment&application.Inthisarticle,the
status
ofkeytechnologi朗ispresented,includingbasicinformationtechnology(micro-electronics,optoelectronics,
technology,detectiontechnologyandnavigation
are
vacuumelectronic
components),computertechnology,communication
next
technology.
DevelopmenttrendsinKey
decadeandeffects
on
futureweaponacquisitionandcombatefficiency
alsoanalyzed.
words:micro—electronictechnology;computertechnology;detectiontechnology;navigationtechnology
发展,量产芯片已采用65
0引言
nln。45砌工艺‘4“1。表l
电子信息技术已成为军事转型的驱动力,是提高军事装备性能和作战效能的核心技术。因此,世界军事强国和大国都将信息技术作为谋求军事优势的核心技术,均确定了电子信息的基础技术以及计算机、通信、探测、软件、导航定位等技术的发展重点,并通过规划、投资、政策、体制机制等促进其迅速发展。这些变革将对武器装备的作战能力产生重大影响¨。3J。
为各类器件已达到的技术性能。
表l主要微电子器件目前的技术性能器件名称
产品性能
集成度(百万晶体管)
1发展现状
电子信息技术正以3年一4年为一代的速度迅速向前发展,并催生出众多新的技术,如纳米信息技术、生物信息技术、量子技术等。它的发展已经对军事装
备的发展和军队信息化建设产生重大影响。
1.1军事电子装备的小型化、轻量化、集成化、低功耗
二维集成电路中的金属互连线的信号延迟已成为
限制其电路速度的一个重要因素,而正在发展的三维微电子技术能解决这一问题。目前,美国国防先期研究计划局正在积极开展这一技术的研究。二维微电子许多系统芯片已采用三维微电子技术,它的应用使三维集成电路的工作速度提高,功耗降低。
集成电路正从单一功能向多功能方向发展,主要
在系统芯片(soc)已将MPU、DSP、存储器和逻辑电路等集成在10
mln
x
1.1.1微电子技术发展进入纳米、三维、多功能时代
微电子器件正从亚微米、二维、单一功能进入纳
米、三维、多功能集成时代。作为衡量集成电路技术水
平主要指标的线宽,近40年已缩小到原来的1/140,
单个晶体管平均价格降低107数量级。目前,器件的
线宽继续以每3年达到一个新的工艺节点的速度向前
10
mm的芯片上,已具有数据存储
与数据处理等多种功能。同样,电子装备采用这种芯片之后,所需芯片数量大大减少,从而能缩小体积、减
通信作者:周万幸收稿日期:2010-04.18
Email:modernradar@263.net
修订日期:2010-06-20
轻重量、降低功耗、提高可靠性。将其嵌入主战与保障
现代雷达
装备后,还可延长装备的服役寿命。
从军用微电子技术的发展水平看,美国军用微电子
工业的技术水平和生产规模位居世界第一,其军用微电
子产品生产门类齐全、基础雄厚、技术先进。日本出于
谋求政治、军事大国的需要,极力支持本国军用微电子技术的发展,目前已发展成为仅次于美国的军用微电子大国。日本的微电子技术水平与美国不相上下,只是科
研开发水平稍逊,但在专用集成电路、存储器电路开发
与制造方面具有较大优势。英、法等欧洲国家的微电子技术起步晚于美、日,目前技术和生产水平仍在美国和
日本之后,但已经很接近。20世纪80年代中期以来,面
对美、日微电子技术的迅速发展,欧洲国家采取联合发展的战略,使微电子技术得到迅速发展,竞争实力已大大增强(已掌握90nm工艺)一曲J。俄罗斯在军用微电
子技术领域所蕴藏的潜力也不容小觑。目前,俄罗斯微
电子技术总体上落后于美、日、欧数年(已采用0.18
pan
的工艺),然而其产品以品种全、实用、耐用、性能稳定而著称,并且拥有独立技术,在半导体微波功率器件和抗辐射专用集成电路等方面还具有一定的优势:印度制定了鼓励半导体产业发展的政策,即在印度开办半导体
企业在10年内将享受20%的成本优惠,因此近几年印度微电子产品制造业的增长速度远远高于全球增长速
度,虽然其产品在全世界市场的占有率不到1%,但提升
了其技术发展水平。目前印度已开始研发65Bin工艺技术,主要开发的产品是专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。
1.1.2单个半导体功率器件输出功率达到lOw一
100
W
砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、硅锗(SiGe)等第2代半导体技术具有高速、高频、耐高温和大功率的特
点,采用这类材料能制造单个功率器件和集成电路。目前,在单个功率器件方面,技术较成熟的是GaAs金属半导体场效应晶体管(MESFET),它在L~c波段的
输出功率为50w左右,x波段为30w左右,Ku波段为20w,K波段为5W。InP晶体管的截止频率已达
562
GHz,能用于160GB/s的光通信系统。SiGe晶体
管的截止频率已达350GHz,可用于宽带通信。在集
成电路方面,GaAsX波段单片微波集成电路(MMIC)
的输出功率已达11w,并且GaAsMMIC已进人毫米
波段。采用硅锗的单片微波集成电路已应用于x和
Ku波段通信。
以宽禁带半导体SiC和氮化镓(GaN)为代表的第3代半导体技术具有高频、大功率、耐高温和抗辐射的特点。目
前,CaN功率放大器的输出功率已达160W。用于相控阵一2一
雷达的x波段T/R组件于2007年已达到7.9W,2008年美国开发的CaN基x波段的MMIC的输出功率已达15w。
总的来看,第3代半导体制作的单个器件已进入
100
W级,用它制作的MMIC以及用第2代半导体制
作的单个器件和MMIC均在10W级。但值得注意的是GaNMMIC的功率密度比InP或GaAsMMIC高出5
倍以上。若用GaN基MMIC取代GaAs或InP
MMIC,
用于w波段通信系统的性能有望提高300%;如果应
用于相控阵雷达,雷达性能可能会提高70%。
目前,美国在研制与生产第2代和第3代半导体
功率器件与单片微波集成电路方面走在世界前例。日本是世界最大的GaAs器件出口国,占世界市场的
率晶体管(HEMT)经过称为“最苛刻的可靠性测试”的
夹断测试,即在200。C高温下,器件寿命超过百万小时
(超过100年),被称为“全世界最可靠的器件”。NEC
次突破了100W的输出功率,超过了当时由美国Cree开发出了用于V波段频率调制连续波雷达的InP基MMIC。目前,日本宽禁带微波半导体技术的发展水平见表2。
表2日本宽禁带微波半导体器件技术的发展水平
器件名称
公司技术指标
G…T富!耀嘉i蕊・甄,“”…,
2.8
GHz,输出功率100W,效率58%;输
’
w:30G之'5.8;
。
NEc公司2.3
法国电子研究所在InP功率器件方面也有较高的
国的Telecom也都拥有世界领先的SiGeHBT技术。HBT技术生产各种放大器、振荡
性能达到新的水平
真空电子器件的功率密度比半导体功率器件高270%以上。日本富士通公司推出的GaN高电子迁移公司2002年开发的单芯片GaN半导体功率晶体管首
公司保持的最高输出功率水平。日本DENSO公司还水平。德国TEMIC公司实现了SiGe异质结双极晶体
管(HBT)集成电路的工业化生产。荷兰飞利浦和法这些公司利用SiGe器、收发机。欧洲的宽禁带半导体发展计划已经启动,俄罗斯的GaAs技术较为先进,也十分重视宽禁带半
导体技术的发展。
1.1.3真空电子器件的输出功率、效率、寿命等技术
个数量级,在雷达、卫星通信、电子战装备、微波武器中
的应用不可替代。目前,主要器件的技术水平见表3(表中性能是常规器件参数,用作高功率微波源的某些器件功率已达兆瓦级)。
・专家论怯・周万幸:军用电子信息技术发展综述
表3国外主要真空电子器件的技术水平
1.2雷达及第3代光电探测器的探测距离、分辨率等
性能达新水平
有源相控阵雷达技术是指雷达天线每一阵列单元
用于夜视的微光像增强器已发展到第3代。采用第3代微光像增强器的夜视镜的视距比采用第2代管的夜视镜提高了约一倍。
红外探测器是一种可用于导弹预警、精确制导武
都接有发射/接收组件的相控阵技术,由于其天线阵面
包含大量的有源器件,而被称为有源相控阵技术。它涉及的技术包括数字波束形成技术等。它的发展促进了地面和机载相控阵雷达的发展。目前,地面大型有源相控阵雷达作用距离已达4
800
器和红外对抗的重要传感器。它已从第2代凝视型焦
平面阵列发展成为多光谱(覆盖中波红外窗口、长波
红外窗口或短、中、长3个红外窗口)和多色探测的第
3代红外焦平面阵列(FPA)。双色或多色HgCdTe和
km。机载有源相控阵雷
达的作用距离已达296km(F-22配备的APG-77)。
合成孔径雷达技术的发展使机载合成孔径雷达的分辨率达到0.1m,星载合成孔径雷达分辨率小于
1
量子阱红外探测器(QWIP)FPA已经研制成功。256
×256元中波FPA与384×288×2元中波双色的Ⅱ类超晶格FPA和256×256元量子点红外探测器(QDIP)FPA已研制成功。
m,并使之具有探测和识别隐藏在一定厚度植被下目
标的能力,以及对动目标的探测、定位和识别能力。
超视距雷达技术的发展使前向散射超视距雷达的作用距离已达3
300
紫外探测器是一种可用于导弹预警、军用气象和
军用短程通信的传感器。它已从第2代的成像紫外传
km(美国的FPS一118),并使后向
000km。
感器发展到第3代采用宽禁带半导体材料的紫外焦平
面探测器。目前,256×256元、512×512元和1024×1024元像素的成像型紫外探测器已被采用。采用宽禁带半导体材料的320×256元盲型紫外焦平面探测器已开发成功。
1.3计算机运算速度已达1015次/s。软件支持信息系
统和武器功能的能力全面提高
计算机技术是作战指挥、武器控制、通信联络、后勤保障等诸多决定战争胜负的关键因素所依赖的关键技术。计算机技术已进入小型化、开放系统、网络计算、移
散超视距雷达的作用距离达到了6
雷达通过采用超低副瓣、自适应副瓣对消、自适应波瓣零点控制等抗干扰技术,已能抑制50的干扰。
低截获概率技术已在雷达中应用,例如,俄罗斯的“首领”及“先知”等雷达系统。
激光雷达的分辨率已达分米级。远程精密激光跟踪测量雷达的作用距离已达5离为300
m~500
km~l000
dB一60dB
km。探测距
m的防撞激光雷达和战术成像合成
孔径激光雷达已经面世。
用于可见光探测的电耦合器件(CCD)像素数已达到25M(5
9
040×5
动计算和多媒体等技术为主要特征的崭新时代。目前,各类计算机的运算速度大大提高,高性能计算机的运算
速度已达l026×1012(2007年只有478×1012次/s)。普通微型机已采用主频为3.2GHz的双核芯片(即单核
000×
040),甚至可以达到81M(9
000)(侦察卫星用的超大规模面阵)。
一3一
2010,32(7)现代雷达
的运算速度是32×108移∥s)。新型计算机开发取得突破性进展,如目前已开发出28量子Byte的量子计算机(7个量子Byte的量子计算机相当于128位常规计算机,20个量子Byte的量子计算机相当于lM位常规计算机),而
目前常规计算机只有64位。计算机网络架构正在从客户柳/服务器架构转向支持WEB的面向服务的体系架构,使系统的互操作性提高,并便于软件升级。
军用共性软件平台是信息系统的基础性软件,如美军的国防信息基础设施通用操作环境(DIICOE)。由于它支持互操作的能力不足,目前美军的C4ISR系统从普遍应用DII
COE
4.0版本转向采用面向服务的
共型软件平台。新的共型软件采用了网络中心企业服务(NCES)以及态势感知、战备、兵力投放、情报、部队防护、兵力运用(空/天作战)、兵力运用(地面作战)、
兵力运用(海上/水面作战)等8个任务能力包,并将其转化为服务,供指挥不同作战的指挥员选用。另外,
美军还开发了共用作战图像(COP)、自适应任务计划与预演(AMP&R)、联合火力指挥与控制、协作信息环
境(CIE)等c3I应用软件。这些软件支持系统互操作
能力和网络中心战的能力大大提高。
在电子装备和武器系统中,由软件来实现的功能正在逐步增加。目前,在某些机载雷达的总成本中,软硬件费用比已达到85:15。通过软件升级已能提高其
探测距离、分辨率和抗干扰性。在武器系统方面,嵌入
式软件支持的功能在由硬件与软件共同支持的功能中所占的比例在逐年增高,以美军的作战飞机为例,1982年的F-16为45%,近年的F-22达到80%,而F一35的软件规模比F-22更大。武器嵌入式软件已在导弹、作战飞机、无人机、军舰等各种作战平台中应用,并
广泛采用开源软件(Linux)。目前,美军一架现代化战斗机所包含的软件已经超过25万个功能点,或2
500
万行源代码。相比之下,民用软件如WindowsNT、Windows2000/XP仅为lO万个功能点。
1.4通信系统传输速率达到GB/s级。抗干扰能力全
面加强
目前,通信卫星寿命长达10年以上,最大带宽达
1.2
GB/s一3.6
GB/s。抗干扰能力强的EHF波段
(44/20GHz)卫星通信系统已投入运行,通过卫星通信已实现动中通。
在无线通信技术发展方面,新型战术散射通信系统的数据速率已达到40MB/s。软件无线电技术的发展使软件无线电台的频率已覆盖2
MHz一2
GHz频
段,并能通过不同的软件配置在所有环境领域(如地
面移动、固定站、机载、海上、个人通信等)中使用。传
..——4..——
输速率达54MB/s的无线局域网已投入使用。数据率达274MB/s的通用数据链已研制成功。
用于军用信懒出设施(如美国的GIG)。单波道dO
在光通信方面,单波道10GB/s的光纤通信技术已应
GB/s
的光纤通信技术即将投入商业应用,也将应用于军用通信。而当今实验室单波道光纤通信的水平为电时分复用达160GB/s,光时分复用达320GB/s。此外,自由空间光通信数据传输率已达到40
GB/s。
1.5
导航系统定位精度等性能达到新水平。作战平台的导航能力和武器制导能力提升
目前,美国在轨的GPSII卫星定位精度为水平13
m,
垂直22m,授时40rls;目前在轨共30颗卫星,其军用信号的定位精度已优于10m。新人轨的GPSIIR—M卫星新增了军码和第2个民码。俄罗斯的GLONASS系统单点定位精度水平方向为16m,垂直方向为25m。俄罗斯200r7
年发射的GLONASS—K卫星的工作寿命已达10年一12
年,而原来的卫星只有7年,定佗精度比最初运行卫星提
高1倍多。伽利略卫星导航系统现只有一颗在轨试验卫
星,目前不具备运行能力。Galileo公开服务的预定精度为水平15m,垂直35In(单频);水平4nl,垂直8In(双频),最高可提供1in定位精度。
惯性导航系统应用的高精度液浮陀螺仪、静电陀螺仪、环形激光陀螺仪、光纤陀螺仪、以及100美元以下的MEMS高速加速度计已经研制出来。用于舰船的天文导航系统定位精度已达到60ft(1
ft=0.305
n1)。目前,卫星
和天文导航定位精度提高了作战平台的导航能力和武器精确打击能力。而低成本微机电惯性导航系统传感器的问世,将对精确制导武器弹药广泛应用产生重大影响。
2
技术发展方向和重点
在未来10年里世界主要军事电子信息技术将达
到以下的新水平,并将对武器装备性能和作战效能产生重大影响。
(1)在信息基础技术方面,硅芯片的特征尺寸将达到14nm,微处理器和专用集成电路的集成度将是
现在的18~30倍。每一晶体管成本是现在的6%还低得多。更多的分子器件将投入市场,微机电系统将
向纳机电系统演进。系统芯片将实现微机电系统、硅器件、生物电子器件的集成。纳米技术的发展将使1
个原子/1个分子存储l位信息的存储器问世。这些
技术的发展将使电子装备体积进一步缩小、重量进一步减轻,成本与功耗进一步降低,促进微型武器装备的发展。
(2)在探测技术方面,多输Ⅳ多输出雷达技术基
・专家论怯・周万幸:军用电子信息技术发展综述
本成熟。空间雷达系统将投入运行,采用超光谱技术的激光雷达和红外焦平面将投入使用。这些技术的发展与应用将使侦察监视系统实现对静止与动目标的广
(4)通信技术的发展将使激光通信的传输速率提高到100GB/s,传输速率为160GB/s,采用网格技术的信息基础设施将建成(如GIG),10TB/s级的军用
域监视,甚至实现对隐藏在丛林中、建筑内和地下的目
标以及隐身目标的监视。
光纤通信网将开始开发。数据链一体化,以及下一代
无线通信技术——.认知无线电技术的开发将取得重大进展。这些技术的发展将大大提高战场信息的实时共享能力。
(3)计算机技术的发展将使高性能计算机与普通微型计算机的运算速度比现在提高l000倍。生物计
算机和量子计算机开始投人使用。适应网络中心战需要的c4I软件和协同无人机作战的软件将投入使用。这些技术的发展将使C4ISR系统从发现目标到指挥武器攻击目标的时间在几分钟内完成。作战平台的协同作战能力将大大提高。
表4
(5)导航技术发展将使卫星导航接收机的体积更
小,成本更低。微机电惯导传感器的精度将进一步提
高,并促进精确制导武器的广泛应用。
表4给出了2020年世界军事电子信息技术发展
预测。
2020年世界军事电子信息技术发展预测
一5一
2010,32(7)现代雷达
[3]
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3
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息进攻能力,这都将对我国电子信息技术发展提供有益的借鉴。
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+—+—+—+—+呻-+—+—+—+—_.—-●计—+-+--4--—+—+—+-+-+斗—+—..-—..——■叫—+——+—+斗—+・+-+—+———————-+——+——+——+—_卜—..——..——■——■——+—・+—。+一
专家介绍
周万幸
男,1982年8月毕业于电子科技大学(原成都电讯工程学院)雷达侦察与干扰专业,研究员级高级
工程师。现任南京电子技术研究所所长,江苏军工协会副会长、南京国防工业协会理事长,为享受政府特贴专家和国家有突出贡献专家。荣获光华工程科技奖(青年奖)、信息产业科技创新先进工作者等荣誉。主持研制并解决了多项重大产品技术及攻关,具有较深的理论功底和丰富的实践经验。先后多次获得国家科技进步一等奖、国防科技一等奖和国家科技进步特等奖等,并在国内外会议和期刊上发表论文多篇。
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July2010
・专家哼釜’云・
中图分类号:TN99文献标识码:A文章编号:1004—7859(2010)07—0001—06
军用电子信息技术发展综述
周万幸
(南京电子技术研究所。
南京210039)
摘要:军事电子信息技术是军事电子装备开发应用的重要研究内容,文中阐述了信息基础技术(包括微电子、光电子、真空
电子器件等技术)、计算机技术、通信技术、探测技术、导航技术的发展现状,给出这些技术在未来lO年的发展态势和技术水平展望,指出其对未来武器装备与作战能力的影响。关键词:微电子技术;计算机技术;探测技术;导航技术
Development
(Nanjing
of
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Nanjing210039,China)
ZHOUWan.xing
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Abstract:Militaryelectronicinformationtechnologyisthefocusofmilitaryelectronicequipmentdevelopment&application.Inthisarticle,the
status
ofkeytechnologi朗ispresented,includingbasicinformationtechnology(micro-electronics,optoelectronics,
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vacuumelectronic
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电子信息技术已成为军事转型的驱动力,是提高军事装备性能和作战效能的核心技术。因此,世界军事强国和大国都将信息技术作为谋求军事优势的核心技术,均确定了电子信息的基础技术以及计算机、通信、探测、软件、导航定位等技术的发展重点,并通过规划、投资、政策、体制机制等促进其迅速发展。这些变革将对武器装备的作战能力产生重大影响¨。3J。
为各类器件已达到的技术性能。
表l主要微电子器件目前的技术性能器件名称
产品性能
集成度(百万晶体管)
1发展现状
电子信息技术正以3年一4年为一代的速度迅速向前发展,并催生出众多新的技术,如纳米信息技术、生物信息技术、量子技术等。它的发展已经对军事装
备的发展和军队信息化建设产生重大影响。
1.1军事电子装备的小型化、轻量化、集成化、低功耗
二维集成电路中的金属互连线的信号延迟已成为
限制其电路速度的一个重要因素,而正在发展的三维微电子技术能解决这一问题。目前,美国国防先期研究计划局正在积极开展这一技术的研究。二维微电子许多系统芯片已采用三维微电子技术,它的应用使三维集成电路的工作速度提高,功耗降低。
集成电路正从单一功能向多功能方向发展,主要
在系统芯片(soc)已将MPU、DSP、存储器和逻辑电路等集成在10
mln
x
1.1.1微电子技术发展进入纳米、三维、多功能时代
微电子器件正从亚微米、二维、单一功能进入纳
米、三维、多功能集成时代。作为衡量集成电路技术水
平主要指标的线宽,近40年已缩小到原来的1/140,
单个晶体管平均价格降低107数量级。目前,器件的
线宽继续以每3年达到一个新的工艺节点的速度向前
10
mm的芯片上,已具有数据存储
与数据处理等多种功能。同样,电子装备采用这种芯片之后,所需芯片数量大大减少,从而能缩小体积、减
通信作者:周万幸收稿日期:2010-04.18
Email:modernradar@263.net
修订日期:2010-06-20
轻重量、降低功耗、提高可靠性。将其嵌入主战与保障
现代雷达
装备后,还可延长装备的服役寿命。
从军用微电子技术的发展水平看,美国军用微电子
工业的技术水平和生产规模位居世界第一,其军用微电
子产品生产门类齐全、基础雄厚、技术先进。日本出于
谋求政治、军事大国的需要,极力支持本国军用微电子技术的发展,目前已发展成为仅次于美国的军用微电子大国。日本的微电子技术水平与美国不相上下,只是科
研开发水平稍逊,但在专用集成电路、存储器电路开发
与制造方面具有较大优势。英、法等欧洲国家的微电子技术起步晚于美、日,目前技术和生产水平仍在美国和
日本之后,但已经很接近。20世纪80年代中期以来,面
对美、日微电子技术的迅速发展,欧洲国家采取联合发展的战略,使微电子技术得到迅速发展,竞争实力已大大增强(已掌握90nm工艺)一曲J。俄罗斯在军用微电
子技术领域所蕴藏的潜力也不容小觑。目前,俄罗斯微
电子技术总体上落后于美、日、欧数年(已采用0.18
pan
的工艺),然而其产品以品种全、实用、耐用、性能稳定而著称,并且拥有独立技术,在半导体微波功率器件和抗辐射专用集成电路等方面还具有一定的优势:印度制定了鼓励半导体产业发展的政策,即在印度开办半导体
企业在10年内将享受20%的成本优惠,因此近几年印度微电子产品制造业的增长速度远远高于全球增长速
度,虽然其产品在全世界市场的占有率不到1%,但提升
了其技术发展水平。目前印度已开始研发65Bin工艺技术,主要开发的产品是专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。
1.1.2单个半导体功率器件输出功率达到lOw一
100
W
砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、硅锗(SiGe)等第2代半导体技术具有高速、高频、耐高温和大功率的特
点,采用这类材料能制造单个功率器件和集成电路。目前,在单个功率器件方面,技术较成熟的是GaAs金属半导体场效应晶体管(MESFET),它在L~c波段的
输出功率为50w左右,x波段为30w左右,Ku波段为20w,K波段为5W。InP晶体管的截止频率已达
562
GHz,能用于160GB/s的光通信系统。SiGe晶体
管的截止频率已达350GHz,可用于宽带通信。在集
成电路方面,GaAsX波段单片微波集成电路(MMIC)
的输出功率已达11w,并且GaAsMMIC已进人毫米
波段。采用硅锗的单片微波集成电路已应用于x和
Ku波段通信。
以宽禁带半导体SiC和氮化镓(GaN)为代表的第3代半导体技术具有高频、大功率、耐高温和抗辐射的特点。目
前,CaN功率放大器的输出功率已达160W。用于相控阵一2一
雷达的x波段T/R组件于2007年已达到7.9W,2008年美国开发的CaN基x波段的MMIC的输出功率已达15w。
总的来看,第3代半导体制作的单个器件已进入
100
W级,用它制作的MMIC以及用第2代半导体制
作的单个器件和MMIC均在10W级。但值得注意的是GaNMMIC的功率密度比InP或GaAsMMIC高出5
倍以上。若用GaN基MMIC取代GaAs或InP
MMIC,
用于w波段通信系统的性能有望提高300%;如果应
用于相控阵雷达,雷达性能可能会提高70%。
目前,美国在研制与生产第2代和第3代半导体
功率器件与单片微波集成电路方面走在世界前例。日本是世界最大的GaAs器件出口国,占世界市场的
率晶体管(HEMT)经过称为“最苛刻的可靠性测试”的
夹断测试,即在200。C高温下,器件寿命超过百万小时
(超过100年),被称为“全世界最可靠的器件”。NEC
次突破了100W的输出功率,超过了当时由美国Cree开发出了用于V波段频率调制连续波雷达的InP基MMIC。目前,日本宽禁带微波半导体技术的发展水平见表2。
表2日本宽禁带微波半导体器件技术的发展水平
器件名称
公司技术指标
G…T富!耀嘉i蕊・甄,“”…,
2.8
GHz,输出功率100W,效率58%;输
’
w:30G之'5.8;
。
NEc公司2.3
法国电子研究所在InP功率器件方面也有较高的
国的Telecom也都拥有世界领先的SiGeHBT技术。HBT技术生产各种放大器、振荡
性能达到新的水平
真空电子器件的功率密度比半导体功率器件高270%以上。日本富士通公司推出的GaN高电子迁移公司2002年开发的单芯片GaN半导体功率晶体管首
公司保持的最高输出功率水平。日本DENSO公司还水平。德国TEMIC公司实现了SiGe异质结双极晶体
管(HBT)集成电路的工业化生产。荷兰飞利浦和法这些公司利用SiGe器、收发机。欧洲的宽禁带半导体发展计划已经启动,俄罗斯的GaAs技术较为先进,也十分重视宽禁带半
导体技术的发展。
1.1.3真空电子器件的输出功率、效率、寿命等技术
个数量级,在雷达、卫星通信、电子战装备、微波武器中
的应用不可替代。目前,主要器件的技术水平见表3(表中性能是常规器件参数,用作高功率微波源的某些器件功率已达兆瓦级)。
・专家论怯・周万幸:军用电子信息技术发展综述
表3国外主要真空电子器件的技术水平
1.2雷达及第3代光电探测器的探测距离、分辨率等
性能达新水平
有源相控阵雷达技术是指雷达天线每一阵列单元
用于夜视的微光像增强器已发展到第3代。采用第3代微光像增强器的夜视镜的视距比采用第2代管的夜视镜提高了约一倍。
红外探测器是一种可用于导弹预警、精确制导武
都接有发射/接收组件的相控阵技术,由于其天线阵面
包含大量的有源器件,而被称为有源相控阵技术。它涉及的技术包括数字波束形成技术等。它的发展促进了地面和机载相控阵雷达的发展。目前,地面大型有源相控阵雷达作用距离已达4
800
器和红外对抗的重要传感器。它已从第2代凝视型焦
平面阵列发展成为多光谱(覆盖中波红外窗口、长波
红外窗口或短、中、长3个红外窗口)和多色探测的第
3代红外焦平面阵列(FPA)。双色或多色HgCdTe和
km。机载有源相控阵雷
达的作用距离已达296km(F-22配备的APG-77)。
合成孔径雷达技术的发展使机载合成孔径雷达的分辨率达到0.1m,星载合成孔径雷达分辨率小于
1
量子阱红外探测器(QWIP)FPA已经研制成功。256
×256元中波FPA与384×288×2元中波双色的Ⅱ类超晶格FPA和256×256元量子点红外探测器(QDIP)FPA已研制成功。
m,并使之具有探测和识别隐藏在一定厚度植被下目
标的能力,以及对动目标的探测、定位和识别能力。
超视距雷达技术的发展使前向散射超视距雷达的作用距离已达3
300
紫外探测器是一种可用于导弹预警、军用气象和
军用短程通信的传感器。它已从第2代的成像紫外传
km(美国的FPS一118),并使后向
000km。
感器发展到第3代采用宽禁带半导体材料的紫外焦平
面探测器。目前,256×256元、512×512元和1024×1024元像素的成像型紫外探测器已被采用。采用宽禁带半导体材料的320×256元盲型紫外焦平面探测器已开发成功。
1.3计算机运算速度已达1015次/s。软件支持信息系
统和武器功能的能力全面提高
计算机技术是作战指挥、武器控制、通信联络、后勤保障等诸多决定战争胜负的关键因素所依赖的关键技术。计算机技术已进入小型化、开放系统、网络计算、移
散超视距雷达的作用距离达到了6
雷达通过采用超低副瓣、自适应副瓣对消、自适应波瓣零点控制等抗干扰技术,已能抑制50的干扰。
低截获概率技术已在雷达中应用,例如,俄罗斯的“首领”及“先知”等雷达系统。
激光雷达的分辨率已达分米级。远程精密激光跟踪测量雷达的作用距离已达5离为300
m~500
km~l000
dB一60dB
km。探测距
m的防撞激光雷达和战术成像合成
孔径激光雷达已经面世。
用于可见光探测的电耦合器件(CCD)像素数已达到25M(5
9
040×5
动计算和多媒体等技术为主要特征的崭新时代。目前,各类计算机的运算速度大大提高,高性能计算机的运算
速度已达l026×1012(2007年只有478×1012次/s)。普通微型机已采用主频为3.2GHz的双核芯片(即单核
000×
040),甚至可以达到81M(9
000)(侦察卫星用的超大规模面阵)。
一3一
2010,32(7)现代雷达
的运算速度是32×108移∥s)。新型计算机开发取得突破性进展,如目前已开发出28量子Byte的量子计算机(7个量子Byte的量子计算机相当于128位常规计算机,20个量子Byte的量子计算机相当于lM位常规计算机),而
目前常规计算机只有64位。计算机网络架构正在从客户柳/服务器架构转向支持WEB的面向服务的体系架构,使系统的互操作性提高,并便于软件升级。
军用共性软件平台是信息系统的基础性软件,如美军的国防信息基础设施通用操作环境(DIICOE)。由于它支持互操作的能力不足,目前美军的C4ISR系统从普遍应用DII
COE
4.0版本转向采用面向服务的
共型软件平台。新的共型软件采用了网络中心企业服务(NCES)以及态势感知、战备、兵力投放、情报、部队防护、兵力运用(空/天作战)、兵力运用(地面作战)、
兵力运用(海上/水面作战)等8个任务能力包,并将其转化为服务,供指挥不同作战的指挥员选用。另外,
美军还开发了共用作战图像(COP)、自适应任务计划与预演(AMP&R)、联合火力指挥与控制、协作信息环
境(CIE)等c3I应用软件。这些软件支持系统互操作
能力和网络中心战的能力大大提高。
在电子装备和武器系统中,由软件来实现的功能正在逐步增加。目前,在某些机载雷达的总成本中,软硬件费用比已达到85:15。通过软件升级已能提高其
探测距离、分辨率和抗干扰性。在武器系统方面,嵌入
式软件支持的功能在由硬件与软件共同支持的功能中所占的比例在逐年增高,以美军的作战飞机为例,1982年的F-16为45%,近年的F-22达到80%,而F一35的软件规模比F-22更大。武器嵌入式软件已在导弹、作战飞机、无人机、军舰等各种作战平台中应用,并
广泛采用开源软件(Linux)。目前,美军一架现代化战斗机所包含的软件已经超过25万个功能点,或2
500
万行源代码。相比之下,民用软件如WindowsNT、Windows2000/XP仅为lO万个功能点。
1.4通信系统传输速率达到GB/s级。抗干扰能力全
面加强
目前,通信卫星寿命长达10年以上,最大带宽达
1.2
GB/s一3.6
GB/s。抗干扰能力强的EHF波段
(44/20GHz)卫星通信系统已投入运行,通过卫星通信已实现动中通。
在无线通信技术发展方面,新型战术散射通信系统的数据速率已达到40MB/s。软件无线电技术的发展使软件无线电台的频率已覆盖2
MHz一2
GHz频
段,并能通过不同的软件配置在所有环境领域(如地
面移动、固定站、机载、海上、个人通信等)中使用。传
..——4..——
输速率达54MB/s的无线局域网已投入使用。数据率达274MB/s的通用数据链已研制成功。
用于军用信懒出设施(如美国的GIG)。单波道dO
在光通信方面,单波道10GB/s的光纤通信技术已应
GB/s
的光纤通信技术即将投入商业应用,也将应用于军用通信。而当今实验室单波道光纤通信的水平为电时分复用达160GB/s,光时分复用达320GB/s。此外,自由空间光通信数据传输率已达到40
GB/s。
1.5
导航系统定位精度等性能达到新水平。作战平台的导航能力和武器制导能力提升
目前,美国在轨的GPSII卫星定位精度为水平13
m,
垂直22m,授时40rls;目前在轨共30颗卫星,其军用信号的定位精度已优于10m。新人轨的GPSIIR—M卫星新增了军码和第2个民码。俄罗斯的GLONASS系统单点定位精度水平方向为16m,垂直方向为25m。俄罗斯200r7
年发射的GLONASS—K卫星的工作寿命已达10年一12
年,而原来的卫星只有7年,定佗精度比最初运行卫星提
高1倍多。伽利略卫星导航系统现只有一颗在轨试验卫
星,目前不具备运行能力。Galileo公开服务的预定精度为水平15m,垂直35In(单频);水平4nl,垂直8In(双频),最高可提供1in定位精度。
惯性导航系统应用的高精度液浮陀螺仪、静电陀螺仪、环形激光陀螺仪、光纤陀螺仪、以及100美元以下的MEMS高速加速度计已经研制出来。用于舰船的天文导航系统定位精度已达到60ft(1
ft=0.305
n1)。目前,卫星
和天文导航定位精度提高了作战平台的导航能力和武器精确打击能力。而低成本微机电惯性导航系统传感器的问世,将对精确制导武器弹药广泛应用产生重大影响。
2
技术发展方向和重点
在未来10年里世界主要军事电子信息技术将达
到以下的新水平,并将对武器装备性能和作战效能产生重大影响。
(1)在信息基础技术方面,硅芯片的特征尺寸将达到14nm,微处理器和专用集成电路的集成度将是
现在的18~30倍。每一晶体管成本是现在的6%还低得多。更多的分子器件将投入市场,微机电系统将
向纳机电系统演进。系统芯片将实现微机电系统、硅器件、生物电子器件的集成。纳米技术的发展将使1
个原子/1个分子存储l位信息的存储器问世。这些
技术的发展将使电子装备体积进一步缩小、重量进一步减轻,成本与功耗进一步降低,促进微型武器装备的发展。
(2)在探测技术方面,多输Ⅳ多输出雷达技术基
・专家论怯・周万幸:军用电子信息技术发展综述
本成熟。空间雷达系统将投入运行,采用超光谱技术的激光雷达和红外焦平面将投入使用。这些技术的发展与应用将使侦察监视系统实现对静止与动目标的广
(4)通信技术的发展将使激光通信的传输速率提高到100GB/s,传输速率为160GB/s,采用网格技术的信息基础设施将建成(如GIG),10TB/s级的军用
域监视,甚至实现对隐藏在丛林中、建筑内和地下的目
标以及隐身目标的监视。
光纤通信网将开始开发。数据链一体化,以及下一代
无线通信技术——.认知无线电技术的开发将取得重大进展。这些技术的发展将大大提高战场信息的实时共享能力。
(3)计算机技术的发展将使高性能计算机与普通微型计算机的运算速度比现在提高l000倍。生物计
算机和量子计算机开始投人使用。适应网络中心战需要的c4I软件和协同无人机作战的软件将投入使用。这些技术的发展将使C4ISR系统从发现目标到指挥武器攻击目标的时间在几分钟内完成。作战平台的协同作战能力将大大提高。
表4
(5)导航技术发展将使卫星导航接收机的体积更
小,成本更低。微机电惯导传感器的精度将进一步提
高,并促进精确制导武器的广泛应用。
表4给出了2020年世界军事电子信息技术发展
预测。
2020年世界军事电子信息技术发展预测
一5一
2010,32(7)现代雷达
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专家介绍
周万幸
男,1982年8月毕业于电子科技大学(原成都电讯工程学院)雷达侦察与干扰专业,研究员级高级
工程师。现任南京电子技术研究所所长,江苏军工协会副会长、南京国防工业协会理事长,为享受政府特贴专家和国家有突出贡献专家。荣获光华工程科技奖(青年奖)、信息产业科技创新先进工作者等荣誉。主持研制并解决了多项重大产品技术及攻关,具有较深的理论功底和丰富的实践经验。先后多次获得国家科技进步一等奖、国防科技一等奖和国家科技进步特等奖等,并在国内外会议和期刊上发表论文多篇。
一6一