中國報告大廳網(wǎng)訊，在當(dāng)今復(fù)雜多變的軍事與民用環(huán)境中，無線電技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷拓展，其重要性也日益凸顯。無線電近炸引信作為彈藥的關(guān)鍵組成部分，在提升彈藥毀傷效能方面發(fā)揮著不可替代的作用。隨著國際局勢的發(fā)展以及科技的不斷進步，2025 年無線電行業(yè)呈現(xiàn)出諸多新趨勢，其中無線電引信低成本化成為備受關(guān)注的焦點。這一趨勢不僅關(guān)乎軍事作戰(zhàn)的成本效益，還對無線電技術(shù)在民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用有著深遠(yuǎn)影響。深入探究無線電引信低成本化的發(fā)展路徑，對于推動無線電行業(yè)的整體進步意義重大。
(一)抗干擾需求帶來的成本壓力
《2025-2030年全球及中國無線電行業(yè)市場現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報告》指出，無線電近炸引信在戰(zhàn)場中的工作環(huán)境極為惡劣，它處于距離敵方很近的區(qū)域，探測信號極易被捕獲，遭受電磁干擾攻擊的風(fēng)險極高，是電磁頻譜作戰(zhàn)中的重點攻擊目標(biāo)。自二戰(zhàn)美國發(fā)明并應(yīng)用無線電近炸引信后，引信與干擾機之間的對抗就從未停止，并且隨著高功率微波武器的發(fā)展，這種對抗愈發(fā)激烈。在俄烏戰(zhàn)場上，就出現(xiàn)了多種干擾無線電引信的裝備。
面對如此嚴(yán)峻的電磁干擾威脅，強化無線電引信的抗干擾能力至關(guān)重要。然而，提升抗干擾性能往往意味著更復(fù)雜的工程設(shè)計和更高的成本投入。我國引信行業(yè)雖然在抗干擾技術(shù)方面取得了顯著成果，但這也使得無線電引信的成本有所增加，給大批量裝備部隊帶來了一定的經(jīng)濟壓力。考慮到未來戰(zhàn)爭可能出現(xiàn)的高強度電磁頻譜作戰(zhàn)環(huán)境，以及俄烏戰(zhàn)爭中巨大的彈藥 / 引信消耗量，研發(fā)低成本、抗干擾且高可靠的無線電近炸引信，成為確保彈藥充足供應(yīng)和維持部隊?wèi)?zhàn)斗力的關(guān)鍵因素。
(二)防御無人機的低成本需求
在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，無人機的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是低成本的民用無人機經(jīng)過改裝后，在戰(zhàn)場上展現(xiàn)出了較高的作戰(zhàn)效費比。俄烏戰(zhàn)場使用的 10km 級民用光纖制導(dǎo)的 FPV 自殺式無人機成本僅 400 - 600 美元，就能對價值數(shù)百萬美元的坦克裝甲車輛造成打擊 。面對這類小型廉價無人機的 “蜂群” 式進攻，傳統(tǒng)昂貴的防空導(dǎo)彈防御方式成本過高，而電子干擾或微波武器對部分智能化自主決策的無人機防御效果不佳。
使用無線電近炸引信的傳統(tǒng)防空高炮，以及配備無線電近炸引信的小型自殺式攔截?zé)o人機 “蜂群”，成為現(xiàn)實可行的防御手段。這就要求無線電近炸引信必須能夠在復(fù)雜電磁環(huán)境下穩(wěn)定工作，同時滿足低成本、小尺寸、輕量化的要求，以適應(yīng)中小口徑高炮和小型攔截?zé)o人機大批量使用的需求。
(一)電子管時代的引信成本變化
1942 年美國發(fā)明的無線電近炸引信 ——VT 引信，其核心電子器件是加固型微型電子管。在二戰(zhàn)期間，隨著電子管產(chǎn)量的大幅增加，其成本從 1942 年的單個 5.05 美元下降到 1945 年的 0.4 美元 。這一時期，無線電近炸引信的產(chǎn)量也達(dá)到了 2200 多萬發(fā) ，引信單價從最初的 732 美元下降到 18 美元。由于當(dāng)時引信工作頻率較低，射頻電路調(diào)試工作量不大，引信生產(chǎn)屬于勞動力密集型過程，眾多工人參與其中，通過優(yōu)化生產(chǎn)流程等方式實現(xiàn)了成本的降低。
(二)分立晶體管時代的引信成本控制
20 世紀(jì) 50 - 60 年代，晶體管開始應(yīng)用于無線電近炸引信，取代了電子管。采用分立晶體管元器件構(gòu)成的射頻電路成本低廉，便于生產(chǎn)。70 年代，半導(dǎo)體集成電路出現(xiàn)，美國將其應(yīng)用于引信的電子時間接通改造，進一步控制了引信成本。這一時期，引信工作頻率保持在 1GHz 以下，制造過程無需復(fù)雜的射頻電路調(diào)試，加上簡單的模擬信號處理電路，使得引信成本一直處于較低水平。
(三)化合物 MMIC 時代的引信成本困境
1987 年，美軍推動 MIMIC 計劃，旨在研制采用化合物半導(dǎo)體材料的單片微波集成電路芯片(MMIC)，并將其應(yīng)用于無線電近炸引信。例如，2004 年研制出的 M782 多選擇引信，雖然性能有了顯著提升，工作頻率和帶寬大幅提高，還集成了多種起爆控制功能，但由于采用了新研的 MMIC 芯片和調(diào)頻探測技術(shù)，成本大幅度提高，甚至因定價過高受到美國國會調(diào)查。
我國在接觸到相關(guān)先進技術(shù)后，為提升引信抗干擾能力也采用了包括提高工作頻率至毫米波等方法，但在生產(chǎn)高工作頻率無線電引信時遇到了諸多問題。比如，化合物半導(dǎo)體材料和芯片制造工藝成本高;MMIC 芯片設(shè)計中使用的分布參數(shù)微帶結(jié)構(gòu)尺寸與制造工藝水平關(guān)聯(lián)不大，導(dǎo)致芯片功能密度和晶體管數(shù)量增長緩慢，不符合 “摩爾定律”，芯片價格居高不下;同一芯片集成多種功能的綜合射頻性能不理想，需多個芯片組合，增加了采購和生產(chǎn)成本;高頻率 MMIC 芯片缺乏低成本封裝方式，手工微組裝方式不僅效率低，還影響產(chǎn)品一致性和質(zhì)量穩(wěn)定性。這些因素疊加，使得使用化合物半導(dǎo)體 MMIC 芯片的高工作頻率無線電近炸引信短期內(nèi)難以實現(xiàn)成本大幅下降。
(四)射頻 CMOS 時代的引信成本優(yōu)勢與挑戰(zhàn)
隨著集成電路技術(shù)和制造工藝的進步，硅基 CMOS 晶體管溝道寬度不斷縮短，截止頻率提高，能夠滿足毫米波甚至太赫茲射頻應(yīng)用。2010 年代，在 5G 毫米波通信、毫米波汽車?yán)走_(dá)等市場需求的刺激下，射頻 CMOS 芯片得到了廣泛開發(fā)和應(yīng)用，這為無線電引信低成本化帶來了新的希望。
與化合物半導(dǎo)體 MMIC 芯片相比，射頻 CMOS 芯片具有諸多優(yōu)勢。其采用硅基材料和成熟的標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝制程，材料成本和工藝制造成本較低，且符合摩爾定律，隨著工藝水平提升成本還會下降。同一 CMOS 標(biāo)準(zhǔn)工藝制程可實現(xiàn)多種基本射頻功能，能將射頻收發(fā)所需功能集成在一塊芯片上，形成高功能密度的射頻收發(fā)多功能 SOC 芯片，有利于引信探測器射頻電路小型化，降低電組裝工藝復(fù)雜度。同時，半導(dǎo)體封裝技術(shù)領(lǐng)域開發(fā)出適合射頻 CMOS 芯片的先進封裝技術(shù)，可實現(xiàn)自動化 SMT 貼片生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。此外，CMOS 工藝的高晶體管密度特性還為引信的自適應(yīng)抗干擾和單芯片集成提供了可能。
射頻 CMOS 芯片也存在一些不足，如輸出射頻信號功率低、芯片噪聲系數(shù)高，導(dǎo)致在無線電近炸引信應(yīng)用中存在信噪比低、探測能力弱的問題。因此，實現(xiàn)無線電引信低成本化，需要綜合解決數(shù)字和射頻兩部分的低成本問題。
(一)后摩爾時代的技術(shù)發(fā)展方向
在摩爾定律逐漸逼近極限的背景下，美國啟動了 ERI 計劃，旨在突破摩爾定律的限制，鞏固其在微電子領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，并將成果快速應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。該計劃聚焦的 “系統(tǒng)架構(gòu)領(lǐng)域” 包含特定領(lǐng)域片上系統(tǒng)、軟件定義硬件等主題，通過整合硬件 IP 資源，在同一 CMOS 晶圓上實現(xiàn)射頻與數(shù)字功能的高密度集成，提升射頻綜合性能。
這給無線電引信的發(fā)展帶來了重要啟示：定制多功能芯片并通過軟件編程定義其功能，可解決定制芯片通用化問題;將射頻與數(shù)字功能深度結(jié)合，能發(fā)揮二者優(yōu)勢，提升系統(tǒng)綜合性能，為解決射頻 CMOS 芯片的短板提供了思路。
(二)軟件定義的定制芯片應(yīng)用
采用定制的 SOC 芯片用于軟件定義無線電近炸引信，符合美國 ERI 計劃的技術(shù)布局思想。這種方式可將同一硬件系統(tǒng)應(yīng)用于不同彈藥平臺的無線電近炸引信，通過建立專用算法軟件庫，引信開發(fā)人員無需深入了解底層硬件和算法，就能快速開發(fā)新型引信或?qū)崿F(xiàn)引信軟硬件在不同彈種平臺間的移植，大大縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。同時，大批量采購定制引信芯片還能進一步降低引信成本。
軟件無線電引信所需的芯片化硬件系統(tǒng)，可以通過兩種方式實現(xiàn)。一是將定制的硅基 CMOS 射頻收發(fā)功能與數(shù)字邏輯功能在同一晶圓上一體集成，形成無線電引信專用 SOC 芯片;二是在確保芯片接口互連寄生阻抗足夠小的情況下，通過先進封裝工藝將定制的 CMOS 多功能射頻 SOC 芯片與定制的數(shù)字邏輯芯片集成，形成專用的 SIP 芯片。前者技術(shù)路線風(fēng)險較大，但開發(fā)成功后可使單價迅速降低;后者技術(shù)路線風(fēng)險較小，一次性投入開發(fā)費用較低，但大批量采購時需增加 SIP 集成工藝成本。
專用數(shù)字邏輯芯片可以 eFPGA 為核心，通過控制字、高速電平或模擬信號對定制 CMOS 射頻收發(fā) SOC 芯片進行控制，實現(xiàn)射頻瞬時重構(gòu)，形成可升級的軟件定義無線電近炸引信。
(三)軟件無線電引信的探索實踐
基于上述理論，開展了軟件定義無線電引信的探索。無線電行業(yè)分析指出，第一階段，設(shè)計研制了以定制毫米波 CMOS 射頻 SOC 芯片為核心的引信探測器射頻電路，并搭建數(shù)字信號處理 PCB 電路，通過數(shù)字電路控制射頻芯片實現(xiàn)了探測頻率、波形可瞬變等功能，還驗證了引信的抗干擾性能、探測能力和炸點精確控制能力，同時開發(fā)了相應(yīng)的信號處理與決策控制算法軟件。
在第一階段的基礎(chǔ)上，第二階段開展了射頻與數(shù)字一體化封裝 SIP 芯片研究，將多個數(shù)字裸芯片高密度集成后，與定制 CMOS 射頻 SOC 芯片集成為數(shù)字射頻一體的 SIP 芯片，減小了探測系統(tǒng)體積，提高了數(shù)字 / 模擬接口的控制與響應(yīng)能力，為智能化引信發(fā)展奠定了硬件框架和底層算法基礎(chǔ)。
2025 年，無線電行業(yè)在引信領(lǐng)域正朝著低成本化方向發(fā)展，這是應(yīng)對復(fù)雜多變的軍事作戰(zhàn)環(huán)境和民用市場需求的必然趨勢。從無線電引信低成本化的需求來看，無論是抗干擾性能提升帶來的成本壓力，還是防御無人機對低成本引信的需求，都促使行業(yè)尋求新的解決方案。技術(shù)發(fā)展的不同階段對無線電引信成本產(chǎn)生了各異的影響，從電子管時代到射頻 CMOS 時代，成本控制經(jīng)歷了不同的挑戰(zhàn)與機遇。而軟件無線電技術(shù)的出現(xiàn)，為實現(xiàn)無線電引信低成本化提供了可行途徑。通過采用定制的 CMOS 射頻 SOC 芯片和數(shù)字邏輯芯片，利用軟件定義硬件的方式，不僅能夠提高引信的抗干擾能力，實現(xiàn)小型化和輕量化，還能促進引信在不同彈種平臺間的通用化，進一步降低成本。盡管在發(fā)展過程中還面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)，如射頻 CMOS 芯片的性能短板等，但隨著技術(shù)的不斷進步和完善，無線電引信低成本化的目標(biāo)有望實現(xiàn)，這也將推動無線電行業(yè)在軍事和民用領(lǐng)域取得更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。
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