雷达技术新发展：从无线电测距到纳米光电探测

雷达技术新发展：从无线电测距到纳米光电探测 雷达技术新发展:从无线电测距到纳米光电 探测 2010年第6期电孑互程佶垂 雷达技术新发展:从无线电测距到纳米光电探测 1引言 张蕾沙舟 (中国电子科技集团公司第十四研究所南京210039) 211u=纪,随着人类迈向更高程度信息化的社会, 光和电已经成为最先进,最重要的信息载体.光子 和电子的结合产物——光电子技术的发展在近年来 可谓是突飞猛进.主要体现在各类光电子器件更新 换代.此外,光电子技术与其他技术的交叉,融合 在加速扩大,特别是同半导体,微电子,微机械等 技术密切结合,加上诸如非线性晶体,纳米材料, 有机材料,碳6O及其他衍生物等新材料的应用,为 光电子器什带来了崭新的面貌和无尽的活力. 众所周知,最早的雷达概念得名丁无线电探测 和测距(RadioDetectionAndRanging).在漫长的 百年发展之路中,雷达的理论发展和技术研究日臻 成熟.可以预见,未来的数字雷达,将包含多种节 点,可以实时,高自适协同,发射功率产生部件 和数字接收机将直接包含在天线结构内.另一方 面,新的雷达传感器往往要求多功能,具有实时搜 索,监视和跟踪等多种工作模式,在基本探测功能 之外,还要求在同一个系统中实现电子战和通信功 能.系统级的研发则朝着”系统之系统”方向发展. 它将是由独立的复杂系统所组成,完成共同功能的 超级系统.如何应对这些新要求和新挑战? 在雷达”概念”诞生百年之际,国外研究学者站 在雷达,系统以及”系统之系统”发展变革的前沿, 高瞻远瞩地提出了NODAR(Nanotechnology OpticalDetectionAndRanging,纳米技术光电探测 和测距)的概念,旨在将光电技术和纳米技术融为 一 体,实现多功能,多角色,多领域以及白适应, 灵活的,基于知识的雷达传感器. 2纳米技术进展和NODAR概念的提出 纳米技术代表了一个新兴的领域,具有巨大的 潜在优势. 纳米科学派生出多种纳米技术.除了能够带来 一 些新的解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 外,还能够减轻重量,减小尺寸 和降低功耗,提高效率.该项技术是创新性的或革 命性的,具有广阔的研究空间和应用前景.纳米科 学及纳米技术将开辟一个新纪元,使能,支持并驱 动着21世纪以知识为基础的社会.纳米技术为雷达, 大系统以及”系统之系统”的最终实现提供了机遇. NODAR的主要创新点如下: (1)纳米真空管放大器:利用百万个碳纳米 管来实现发射反向纳米兰极管,该器件能够高效放 大频率在太赫兹的信号. (2)大带宽收发光波束形成网络:利用光调 制器,合成器以及模拟光接收机,可编程实时延迟 实现,用r直接时间波束形成和控制. (3)宽带光电A/D转换器. (4)纳米器件:基于知识的信号处理,用于网 格传感器的信号融合.在未来的最有发展前景的纳 米量子处理问世之前不失为一种可行的解决方案. (5)用丁热管理和互连的碳纳米管(CNT). (6)完美的光一纳米技术化学传感器. 下文将针对以上几个方面的机理,国外研制状 况和取得的主要进展进行详细介绍. 3纳米真空管放大器 高发射效率对于任何雷达系统来说都是至关 重要的.事实上,射频高功率放大器使用了砷化镓 (GaAs)或氮化镓(GaN)固态技术,在狭得高性 能的同时,随之带来了高昂的成本.此外,对于特 别高的频段的应用,例如,近年来颇受关注的太赫 兹(主要应用于国土防御,空间通信,医疗卫生等 领域),受到固态下电子运动的限制,其增益和带 宽有较大的局限性. 对于太赫兹应用来说,纳米真空管可谓是一种 革新器件.其研制目标是尽可能规避目前所使用的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 真空器件的各种缺陷,同时减小不必要的体积 和重量.对于标准真空器件,通常由发射阴极射线 管,栅极和阳极等三大部分组成.纳米真空管具有 代表意义的革新在于使用了碳纳米管作为电子波 2电孑互狸僧鱼2010年第6期 束发射的冷阴极,同时引入了创新的布局,从而攻 克了为实现这样的器件遇到的所有技术难 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 . 碳纳米管大长宽比,牢固,稳定,且表面没有氧 化物,因此可以看做是理想的场发射器.和现有的 Spin&型冷阴极器件相比,它不仅将器件的体积和重 量最小化,而且延长了使用寿命.但是,这些材料的 特殊性(高温和高反应性等离子体)导致了采用一般 的工艺流程进行集成非常困难. 图l图形阴极 采用创新式布局 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ,可将上述所有问题的负 面影响减至最低.该器什实现了两个分离元件—— 阴极和集成的阳极结构(栅极.阳极),并利用真空 结合技术对它们进行了封装.事实上,发射阴极是 布置在一个高传导率的硅基上的,对齐的单壁碳纳 米管,如图1所示.利用中间夹入绝缘层(厚的硅 氧化物)的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,在一块基底上实现了栅极和阳极 的隔离.这里,为减小器件的电流损耗从而提高透 明度,在栅极表面覆盖有绝缘层,采用光刻下艺来 实现.使用恰当的隔离材料将阴极和集成阳极连为 一 体,如图2所示. 集成{瑁}极一阳 图2真空三极管结构示意图 此种结构有很多好处.首先,它突破了传统的 碳纳米三极管实现过程中的种种技术限制,使得在 微小的真空_..极管上实现了诸多优良特性,同时将 使用的门结构和材料的负面限制减至最低限度.在 该结构中,直接使用了不同种类的发射材料(用作 各种基底),为可缩放真空三极管的新应用闯出一 条新路.其次,通过合理设计电子管的几何可以对 器件晌丁作频率做出何效调谐. 4光电子技术 光电子技术将在未来的雷达,传感器及其他系 统中大量应用,并显着提升各部分,进而整个系统 的多方面性能.说到光电子学,这是一门内容很宽 泛的使能技术,大致可以分为两个领域:微波光电 子学和数字光电子学,各自包含了光子域所能实现 的许多不同类型的功能. 微波光电子应用包含了低噪声光电振荡器,本 振分配及波形产生.模拟光电子则包括光波束形成 网络,多功能天线中的光路由以及用于天线校准的 光学应答器.数字光电子目前主要应用于数字通 信,包括高速率数字数据链,板到板和芯片到芯片 的互连.下面生要讨沦光电子技术在雷达方面的发 展和应用情况. 4.1低噪声光电振荡器 传统的振荡器基于石英,声表面波(SAW), 体声波(BAw)和介质谐振器(DR0)等.通常使 用一个尤源共振器,由此设定振荡的固有频率.用 一 个有源反馈环驱动BAW和SAW振荡器,并维持 振荡.BAW和SAW振荡器的固有频率一般在十到 数百兆赫.介质谐振器的振荡频率更高,但在性能 上损失很大.为达到更高的频率,振荡器电路必须 在线路上实现振荡器频率的谐波倍频.该方法带来 了两大缺点,即倍频的同时,相位噪声也做了乘法 并且导致性能下降.达到10GHz以上的频率要求 100x,1000x倍频,这样一来,电子线路就变得非常昂 贵了,并且体积极其庞大,而且能量也远远不够分配. 如此一来电子方法的微波信号产生原理 这样一个振荡器的频谱纯度大致可以用环路 的长度(或环路内的存储时间)和微波波长(或微 波信号的周期)之问的比值来表征. 通过实验,验证了使用光纤实现相当长的环路 的方法完全具各可行性.加之极低的光损耗(如: 0.2dB/km),在减小相何噪声方面有较大优势,激 起了专家学者的广泛兴趣. 4.2光波束形成技术 “波束形成”的含义是:控制RF波束指向不同 的办向,经移相器和增益控制器调整阵列的波束 形状,以使系统在复杂的信号环境L卜I较佳运作.这 对系统的功率,计算速度等提出了严格的要求.随 着光电子技术的突飞猛进,光电子器件的更新换 代,以快速,并行为特点的光处理技术越来越多地 纳入设计人员的考虑之中. 在过去的十年问,相控阵天线的光波束形成技 术得到了广泛研究.该技术具有许多优点,如:减 小尺寸,减轻重量,对电磁干扰不敏感,并且瞬时 带宽大,尢斜视阵面控制. 目前,对光波束形成技术,如图4所示. 图4光波束形成原理 首先,大尺寸相控阵面和大带宽的结合,意味 着波束斜视.此,需要一个实时控制阵面. 其次,近来倍受关注的多功能阵面对大带宽的 需求显得十分迫切.能够瞬时和同时组合雷达,电 子战和通信通道的多功能孔径对于不同军事平台 的应用,可以提供许许多多好处,包括减小雷达截 面积(Rcs);降低孔径的总体成本;更容易实现功 能升级;增强性能等等.除了带宽外,一个多通道 系统还要求改善抗电磁干扰能力.突破其中关键技 术的途径之一就是光波束形成技术. 根据雷达信号分配所采用的复用技术的类型, 可以对架构进行如下区分:WDM(波长域复用)架 构;TDM(时间域复用)架构.基于解决方案的波 长域复用通常利用光源产生多种波长. 使用可重构延迟线(光路随着使用光学开关的 不同而不同)可获得大量的TDM解决方案.图5 示出了N级光延迟线的架构,递进延迟量为2n. 4电孑互狸信垂2010年第6期 2×2 开关 ? ?? 输 图5可编程实时延迟 4.3光电A/D转换器 光电A/D转换器至少可以分为4种土要类别: (1)尼奎斯特速率光电A/D转换器.最先由 泰勒提出,采样和量化都是以光的形式进行的,该 系统类似于尼奎斯特速率电子式A/D转换器,冈此 得名. (2)多路分用(demultiplexing)光电A/D转 换器.具有高脉冲重复频率(PRF)的短脉冲光子 序列对射频波形进行采样后,分解到多个光电二极 管中,其中的电流被电子量化. (3)过密采样光电A/D转换器.利用高脉冲 重复频率的短脉冲光子序列和一个或多个反馈环 来产生类似于电子过密采样A/D转换器,如增量调 制器(?一?调制器)的运行情况. (4)时间扩展光电A/D转换器.利用光纤的 色散降低电子信号的频率,优于电子式A/D转换 器. 其他新颖的A/D转换器还有:采用超稳定,短 脉冲激光作为采样过程的一部分.不过,从名称上 来说,这些系统叫”光电辅助的”A/D转换器似乎更 为合适. 以多路分用光电A/D转换器(或时问交织)为 例,它主要基于一个光学架构,T作过程如下:首 先,生成一连串采样光脉冲.接着,通过一个光学 调制器,利用待采样的电信号调制光脉冲的高 度.随后,沿着N个平行通道,对将要进行A/D 转换的采样进行分割;使用标准的电子式A/D转换 器,以1/N的采样率,在每一个通道执行A/D转换. 最后,使用数字处理重新组合比特流(bitstream). 5碳纳米管在热管理方面的应用 单壁碳纳米管(SWCNT)近来得到了广泛关 注,其热传导率高达6000W/mK.凭借优越的导电 和导热性能,SWCNT堪称为一种极佳的散热器材 料,它可以增加从芯片向封装的热量散发,同时建 立散热器和倒装晶片之间的互连. SELEX—SI(“赛莱克斯”)公司和MINAS(“米 纳斯”)实验室正在联手进行一项研究,内容是高 功率电子器件中基于SWCNT系统的热管理的应用 准备.利用与未来工作器件尽可能相同的配置的纳 米管对SWCNT的性能进行了测量,例如,作为微 处理芯片和散热板之问或是散热板和散热器之间 的界面层,即:热界面材料(TIM).材料的准备工 作主要按以下几条主线开展: 为环氧树脂/SwcNT或聚合体/SWCNT纳米复 合层的准备设置了协议:针对以聚合体为基体的纳 米复合材料的一些研究表明,其导热性能得到了相 当大的提高.虽然在不同的实验中使用的测试仪器 不同,因而得到的数据也不尽相同,但是经过分析 可以发现,尽管纳米管的特性可能变化,以及在不 同的基体材料中SWCNT分散的均匀性和可靠性会 不同,数据的分布其实仍是有规律可循的. 为便于在不同的化学环境下对纳米管的效率 进行评估,按规定对SWCNT进行了化学处理,并 融入不同的基体材料,聚合体或环氧树脂.国外研 究人员针对不同数量纳米管和不同等级散布的纳 米复合材料进行了热阻测量试验.初步的测量在硅 SWCNT纳米复合材料上进行.结果显示,热散逸 大幅增加(相对于无SWCNT的情形),高达30%, 如图6所示. 图6纳米管导热性能 其次,”米针斯”实验室针对纳米管的合成和 处理做了专门研究,目标是将SWCNT定位束的化 学气相沉积(CVD)技术引入图形区域,这个图形 可以是印制图形,也可以是用于倒装芯片互连的凹 凸图.之所以采用CVD技术是因为它能够通过特 定的几何和布置沉积SWCNT束,设计适于倒装芯 片的纳米管合理架构. 此外,研究发现,将SWCNT束以选定的方向 集成到半导体上是完全可行的,直接带来导热和导 2010年第6期电孑Z程铭垂5 电性能的改善.通过一一些创新的光电技术(设计用 于功率器件中通道的精确测量)可以对系统进行热 测罩.这种非侵入性方法的优点是可以获得更好的 空间分辨力,而测量仅仅由光电子造成的器件的 有效温度是可行的. 6光学和纳米化学传感器 近年来,为提高探测,尤其是特征识别能力,在 国家防御应用中的指挥和控制活动正朝着”系统之系 统”的方向发展.这个所谓的”系统之系统”涵盖极广, 将可能包含卫星,各平台一次,二次雷达及其他红外 和光电传感器等等.这样的系统将得益于稀疏的或远 程的异构传感器.碳纳米管应用将会把化学药剂传感 器以及光学探测器的研制推向完美境界. 作为传感材料,碳纳米管因其卓越的机械,物 理,化学和电性能得到了国外多个研究机构的关 注.目前的很多传感器应用主要依靠碳纳米管的特 性来改变暴露于化学或气体等类似物质中的电导. 碳纳米管具有很大的有效表面积,约为 1580m/g,这加大了气体和纳米管之间交互作用的 可能性.已经研制成功的气体传感器(O2,NO2, NH3)能够在室温条件下探测ppm(或ppm以下) 级别的气体药剂.目前已在一块硅品圆的_氧化硅 层金一铬金属上实现了传感器的漏源极.这些叉指型 手指的间距在40gm.利用SWCNT制作的传感器 可以用P犁半导体的特性来描述,它能够根据不同 的电子特性判断出气体的种类.这是冈为贡献出电 子的气体的特性——碳纳米管的传导率是变化的, 正好与接收电子的气体相反. 7结语 作为21世纪最热门的新兴技术,纳米和光电 技术的研究成果和应用必将对未来的雷达系统研 制和发展方向产生深远的影响,带来关键性的技术 突破,赋予雷达全新的面貌.o 『据美国《军用航宇电子》网站2010年l1月 21日报道]NASA德莱顿飞行研究斗J心的研究人员 正在同洛克希德?马丁公司”臭鼬T厂”的航空专家 们联手开发飞机航电,推进系统和机体方面的新技 术,以提高飞机燃料效率,降低飞机噪音和排放. 周五,NASA德莱顿飞行研究中心授予洛克希 德?马丁公司先进发展项目(ADP)分部(即”臭鼬 工厂”)一项价值300万美元的”环境负责飞行器 (ERA)”计划合,用于探索开发减少环境影响 的新飞行器技术的好处和风险. ERA计划意在明确能使亚声速运输机满足 NASA在2025年后亚声速运输系统噪音,排放和 燃料消耗降低方面等级目标的先进综合飞行器和 部件技术概念. 美国的空中运输系统将在未来20年内增长2 或3倍,同时将可能造成航空系统对气候变化影响 的增大.NASA官方称ERA计划将致力于降低大 模扩张造成的环境破坏. NASA的研究人员表示希望这些由”臭鼬工厂” 发展出的先进飞行器概念能够在美国联邦航空局 的下一代航空系统中发挥作用.ERA计划的成果将 为美国联邦航空局(FAA)的”CLEEN”项目,NASA 的亚声速同定翼(sFw)计划以及几个美国国防部 项目等政府项目提供补充. NASA同”臭鼬工厂”合作的ERA计划将致力 于测试降低阻力和机场周边噪音的高升阻比非常 规飞行器设计方案;通过层流降低阻力;发展复合 材料结构以降低重量并改善油耗;测试能够降低发 动机氮氧化合物排放的先进可选燃料燃烧室技术.