“darpa2016年展示日”10大前沿主题频谱篇

1、【防务资讯】 DARPA2016年展示日”1前沿主题一一频谱篇本文由大国重器（ ElectronicComponent ）授权转载作者： 长青 DARPA2016 年度展示日：致力于加快改变游戏规则的技术转型昨天介绍了微系统领域的项目（“DARPA201能展示日” 10大前沿主题一一微系统篇）。今天介绍“ DARPAS示日”上频 谱领域所列项目。频谱：通过新材料、工具、更快的芯片、更灵巧和更敏捷的移动网络等手段，确保在拥挤和竞争性电磁频谱域中的优势地位。 1 认知无线电低能耗信号分析传感器集成电路（ CLASIC ）项目集成电路的微缩使得晶体管单位电流增益截止频谱（fT ）超过 400GHz

2、，再结合专用处理器架构，硅基数字处理器速度可接近1X105 MIPS,处理能效超过2MIPS/mW 。但是，新兴军事认知无线电系统所提出的波形处理要求使得模数转换器（ ADC ） 、数字信号处理器（ DSP ）和算法的复杂性等级超过低功耗手持设备的实现能力。因此，在设计高性能认知无线电信号传感器芯片等通信用集成电路时，面临的主要障碍是实现信号（波形）识别处理的超高性能和能效。CLASIC是DARPA 自适应射频技术 （ART）项目的一部分，目标是实现单片、 高性能、 超高能效、 信号识别集成电路（ IC ） ，满足认知通信、雷达和电子战等领域用下一代军用微系统使用需求。认知系统能够感知外部环境

3、和内部状态，如认知射频系统所在的电磁/ 信号环境，能够自动决定和调整行为来优化服务质量或操作对象，目标信号参数包括调制方法、信号星座、多次访问或跳频、信道利用和解调。 DARPA 希望能够通过研发创新型射频、模拟和混合信号集成电路架构和设计技术来达成该项目目标。CLASIC 主要研究高能效、模拟和/或混合信号处理技术，以分离和分析复杂信号，具体指标包括：使用射频自适应递归和横向滤波器进行盲源分离，使用模拟电路实现快速傅里叶和波形变换， 实现信号特征的高效提取， 在模拟/ 神经形态模块中实现循环平稳信号特征提取和分类等算法。2 射频现场可编程门阵列（ RF-FPGA ）项目使用现场可编程门阵列（

4、 FPGA ）开发电路可节省一次性工程（ NRE ）费用，降低开发风险，提高设计效率和灵活性；普遍使用在以数量少、种类多为特点的军用器件开发中。但目前 FPGA只支持数字电路，射频模拟电路仍依赖定制开发。无线通信的迅速发展和多种通信技术的并行使用， 如 GSM 、WiFi 、 GPS 等， 使得定制开发射频电路不仅难以迅速满足种类要求，还带来成本高昂、采购、测试和升级困难等问题。RF-FPGA 项目希望能研制出射频可编程器件，不需改动硬件，只需编写不同收发链路即可实现对多通信模式的支持；要求使用可编程射频器件开发的电路达到与定制开发相同 的性能， 不仅能用于特殊军事通信环境， 还能用于频带拥挤

5、、技术快速变革的商用通信环境，不仅满足现有无线通信技术的要求，还要符合未来通信标准。 RF-FPGA 项目也是 ART项目的重要组成部分。 3 商业时标阵列（ ACT ）项目如今电磁波系统越来越多地使用天线阵列来提供独特能力，如多波束形成和电子转向，在通信、信号情报、雷达和电子战等多个应用领域发挥重要作用。但是，研发周期过长和部署后无法升级等问题限制着天线阵列在更多领域的应用。更遭的是，军用电子系统的发展速度又进一步落后于商用电子系统，而且固化的军用射频能力和不断发展的数字电子技术的性能差距不断加大。ACT 目标是缩短天线阵列的设计周期和实现部署后也可升级，改变传统研发周期长达10年、静态寿命

6、周期长达2030 年和配套维修保障成本高昂等现状。 为了能替代传统大型天线阵列系统， ACT 将开发基础数字互联功能块， 并在此基础上构造更大、可快速升级和广泛部署的系统。该功能块由通用电路模块和可重构电磁接口组成，可依据每一个应用进行架构缩放和定制，无需重头再次设计，可进行快速升级和广泛部署。ACT 分为两个方向： （ 1 ） 数字化思路的通用模块， 能够实现阵列核心功能的8090%，以及嵌入到更广阔的应用中。（2）可重构和可调射频孔径，覆盖从S 到 X 波段间的多个频点，满足多种应用。4 芯片间/芯片内增强冷却（ICECool ）项目当前电子系统中器件密度的增加使得产生的热量和功耗达到了一

7、个前所未有的量级。现有的热管理方法主要是远程冷却，散热效率低；热量必须从器件中传导出来才能散发到空气中，无法在不显著增加电子系统重量和体积的情况下进行有效散热，复杂电子器件的工作温度也因此无从控制。为了实现有效散热，复杂军用系统的体积和重量继续上升。ICECool 项目目标是克服远程冷却技术的局限。 ICECool 将通过在芯片衬底、芯片和封装中嵌入微流体通道进行冷却，以及在电子器件设计之初就考虑热管理需求， 共同探索“嵌入式”热管理技术。 ICECool 项目如获成功将有助于弥补计算机、射频电子器件和固态激光器等高性能电子系统中芯片级热产生密度和系统级散热密度间的差距。 5 多样可用异质集成

8、（ DAHI ）项目复杂国防系统，如雷达、通信、成像和传感系统等，依赖于各种各样的微系统器材和材料。然而这些器材和材料通常基于不同的衬底和工艺制造技术，阻碍了这些器件集成到单一制造流程中。因此，一直以来这些器件技术间的集成都只发生在芯片到芯片级别，严重限制了这些系统的带宽和与延迟有关的性能；与单芯片全集成微系统相比，显著增加了尺寸、重量、功耗和封装成本。DAHI 项目目标是开发晶体管级异质集成工艺，实现先进化合物半导体器件、其他新兴材料器件、高密度硅互补金属氧化物半导体（ CMOS ）技术的紧密结合。 DAHI 的最终目标是建立一个可制造、可获得代工技术，可将多种器件和复杂硅架构通过单片异质集

9、成的方式集成到共同的衬底平台上。这样的集成将为美军提供拥有更高性能的微系统。 DARPA在异质集成方面的努力始于“硅基化合物半导体材料”（ COSMOS ）项目。 COSMOS 项目连同“电-光异质集成”（E-PHI ）项目和“ DAH代工技术”项目同是DAHI项目的组成部分。 DAHI 项目计划解决重要技术挑战包括异质集成工艺研发、 高产量制造和代工能力、 电路设计与构架创新。 DAHI计划实现集成的微系统的设备和材料包括： （ 1 ）基于硅CMOS 的模拟和数字电路高度集成； （ 2 ） 基于氮化镓（ GaN ）的高功率、 高电压和低噪声放大器（3） 基于砷化镓（GaAs ）和磷化铟（ I

10、nP ）异质结双极晶体管（ HBT ）和高电子迁移率晶体管（ HEMT ）的高速/高动态范围、低噪声电路（4 ）基于锑基化合物半导体的高速、低功耗电子器件（ 5 ）用于直接带隙光子源和探测器的化合物半导体光电器件，以及硅基架构的调制器和波导等（6 ）传感器、执行器和射频谐振器用微机电（ MEMS ）器件（ 7 ）热管理结构DAHI- 电光异质集成（ E-PHI ）项目超低噪声激光器和光电信号源等高性能的光电系统在光纤通信、高精度定时参考，激光雷达（ LADAR ） ，成像阵列等系统中得到广泛应用。目前最先进的超低噪声激光器和光电信号源利用宏观尺度光电学抑制自身机械/ 热致噪声，以及实现片外电子

11、反馈控制。 这些台式/机架级别的装配，限制了光电器件的光耦合效率和电子反馈速度，同时增加了系统的尺寸和重量。如果能在芯片级别对这些组件进行集成，就可以大大减少这些限制。硅因其在电子和光电领域同时拥有的优异性能，成为富有吸引力的集成平台。然而硅的间接带隙的结构抑制了光辐射能力。一个能将高性能光电器件集成在低成本硅平台上的可行方法是实现in-V族材料同硅材料的异质集成，这样既可包括高效的m -V族光发射器，又可利用硅优异的电子和光电特性实现其他光电器件。E-PHI 项目正在寻求开发必备的技术、架构和创新型设计，使新型芯片级光电 / 混合信号集成电路可以集成到共同的硅衬底上。 E-PHI 项目将实现

12、一系列创新型芯片级光电微系统，包括传感和通信用相干光学系统（激光雷达） 、任意波形发生器、集成有图像处理和读出电路的多波长成像系统。为了验证光电异质集成技术的可行性和能力，E-PHI 将演示新型高性能异质光电集成微系统，预计将比现有最先进技术相比，表现出可观的性能改善和系统尺寸减小。太赫兹电子学（ THz Electronics ）项目由于所需高频率信号的产生、探测、处理和发射都面临技术难题，实现工作在亚毫米波段的成像、 雷达、 光谱和通信系统的难度都极大。为控制和使用这种极具挑战性的射频光谱，必须开发出能够在超过 1THz 频段运行、或每秒循环1 万亿的电子器件。这些高频段信号用途非常广，可

13、携带比低频段信号更多的信息，能够开启安全通信和爆炸物探测等新应用领域。但由于晶体管的性能限制，难以可靠驱动固态电子器件直接工作在这些频段。于是，研究人员采取将较低和容易产生的频率变换到亚毫米波范围的方法。但是这种方法所需器件比理想的、低功耗器件的体积和输出功率噪声都要大，限制了亚毫米波的广泛使用。 为此， 需开发出可工作在THz 频段的单片微波集成电路，以及最大振荡频率（ fmax ）可远超过1THz 的晶体管。THz Electronics 项目目标是研发所需关键器件和集成技术来实现紧凑、高性能、运行中心频率超过1.0THz 的电子电路。三个阶段性目标分别 670GHz 、 850GHz 和 1THz 。 THzElectronics 项目侧重于两个关键THz 技术领域的发展：（ 1 ） 太赫兹晶体管电子： 研发太赫兹InP HBT 和 InP HEMT晶体管技术，演示太赫兹单片集成电路工作频率能够达到和超过 1THz ； 还将研发太赫兹低损耗跨元件互连和集成技术，以制造紧凑的 THz 发射器和接收器模块。（ 2 ）太赫兹高功率放大器模块：研发