不僅性能好還有一顆中國「芯」，國產相控陣雷達厲害了！

雷達研製水平是衡量一個國家軍事電子工業的標尺，其中相控陣雷達是軍用雷達中的皇冠，其設計和製造水平最為尖端。

而戰鬥機裝備的相控陣雷達，因平台尺寸受限、工作環境惡劣，對雷達尺寸、重量、可靠性有嚴苛的要求，而且，戰鬥機做為空軍主戰平台，所需雷達系統數量、規模遠超其他平台，因而更考驗著軍用電子工業的研發與製造水平。

（一）什麼是相控陣雷達？

所謂相控陣雷達技術，簡單講就是在一個陣面上放置了大量的輻射器（小天線）組成的陣列，輻射器數量成百上千，每個輻射器的後面都接有一個可控移相器，移相器由電子計算機控制。典型的相控陣是利用電子計算機控制移相器改變天線孔徑上的相位分布來實現波束在空間的掃描，即電子掃描。

相控陣雷達又分為有源(AESA)和無源(PESA)兩類，其實從外部來看，它們很難區分，兩者天線陣基本相同，其主要區別在於發射/接收元素的多少。

其中，PESA天線表面陣元只有改變信號相位的能力而沒有發射信號的能力，信號的產生還是依靠天線後方的信號產生器，然後利用波導管將產生的信號送到信號放大器上，再傳送到陣列單元上面，接收時則反向而行。這和機械掃描脈衝多普勒雷達產生信號的方式一樣，區別主要在天線上。

而AESA雷達的每個陣元都配裝有一個發射/接收組件，天線表面的每一個陣列單元都能自己產生、接收電磁波。其天線不需要依靠訊號產生器以及波導管饋送訊號，大多數元器件例如低噪放（LNA）、功放、雙工器、移相器等都被小型化並組成一個T/R模塊，每個T/R模塊可以被理解為一個小型雷達。

由於AESA 的輻射單元與 LNA 之間只有雙工器和低能量接收機保護裝置這兩道「關卡」，系統內部的單程典型信號損失 (不包括 LNA 自身信號損失在內)小 ，因此靈敏度提高、探測距離大幅延長，更可將波束集中在窄角度能量集里，提高對低RCS目標的探測能力，或以不同頻率、角度發射多個波束，同時完成多個任務。

（二）雷達好不好，關鍵看半導體材料

現代雷達的基礎是半導體器件，雷達電子器件的大規模集成電路被植入在半導體之上，這些半導體被稱為襯底。

一般的半導體襯底都有擊穿電壓，一旦電壓超過限度，器件就要損壞。它也對應了一個電子漂移速率，這是其材料的自由電子脫離原電子軌道和結合新電子軌道的速率決定的。脫離的難易程度叫做禁帶寬度，禁帶越寬，相應的擊穿電壓就越大，器件最大輸出功率也更大，電路開關響應速率就更快，可以做更高頻率的微波器件。

而微波器件的功率與頻率往往決定了雷達本身的探測性能，在隱形技術不斷擴散的今天，更高的工作功率與頻率也有助於雷達在更遠距離發現低RCS目標。

在微波大功率的半導體材料應用上，目前大多採用砷化鎵（GaAs），當前在射頻和微波頻段下常用的功率器件多為基於砷化鎵材料的HFET（高電子遷移率晶體管）和PHEMT器件。然而，隨著對更高頻率、功率的追求，對於砷化鎵來說有很大的困難，這就需要新材料來突破這個瓶頸。

作為第三代半導體材料的GaN（氮化鎵）應運而生，目前氮化鎵已經佔領一些民用蜂窩基礎設施等市場，並逐步擴展了在高功率微波軍事領域中的應用。

氮化鎵半導體材料具有禁帶寬度大、擊穿電場高、電子飽和漂移速度高的特點，對於高頻率信號的響應更佳，其在高功率放大器的設計、生產及運行中有顯著優勢。在加熱狀況下，氮化鎵晶體管能在微波頻率有效放大高功率射頻信號，其射頻功放提供的功率是砷化鎵的5倍，可使軍用射頻組件尺寸不增而進一步提高功率，從而提升雷達探測性能。

此外，因AESA的T/R模塊功率利用有限（一般在30%左右），大部分能量被轉換成熱量散失，整個陣面上千個T/R單元在工作時，其產生的熱量相當可觀，這就需要額外的冷卻系統。

而氮化鎵材料大禁帶寬度特性也使得其散熱性能比砷化鎵更好，基於氮化鎵的器件能夠比砷化鎵器件在高很多的溫度下工作，功率相當情況下採用的配套散熱器的體積可以進一步縮小，這對於空間緊張、重量分布條件苛刻的戰鬥機平台來說是個很大的優點。

早在2010年，國內已研發出輸出功率達50W 的X波段氮化鎵功放管，MMIC（單片微波集成電路）的輸出功率已大於10W，絲毫不遜於F-22戰機APG-77雷達的元器件（8~10W）。這為國產x波段機載AESA雷達所需大功率微波器件的工程應用提供了幫助。

（三）3D封裝技術讓有源相控陣雷達更輕薄

AESA雷達的性能指標和T/R模塊封裝技術也密切相關。

衡量一部雷達的探測能力，通常需考慮雷達輻射的平均功率與雷達天線面積的乘積——功率孔徑積，而AESA的電波，是由天線上的半導體微波單位(T/R模塊)發射的，每單元功率是有上限的，若要增加雷達功率，除了提升材料製程以增進一點單元功率外，更主要的辦法是增加T/R數，即增大天線面積形成更高的功率孔徑積。

然而，戰鬥機載AESA雷達因受制於平台基本氣動布局影響，天線面積往往受限機頭直徑不可能隨意增加。在基本尺寸固定的情況下，要想進一步增加單元數量發掘雷達性能，就只有在T/R組件小型化與安裝水平上下功夫。

此前，AESA雷達大部分多晶元組件採用二維結構形式，長條狀的「磚塊」型 T/R組件對IC晶元進行高密度組裝，該種方式組裝密度已發展到上限，很難進一步提高。如今，微波組件的小型化、高密度、多功能趨勢使傳統的二維結構組裝開始向三維結構組裝發展。

而「瓦片」式T/R 組件是在三維高密度集成技術基礎上發展起來的新一代T/R組件，相對於目前常用的長條狀「磚 塊」型 T/R組件而言，它外形像一個瓦片。

「瓦片」式T/R 組件最重要的特點就是將組件的平面結構變為三維結構，把晶元和電路的空間向三維方向發展，提高集成密度，在T/R 組件功能不變的基礎上，縮小體積、減輕重量，從而控制雷達整機尺寸重量達到較好適裝性。

國內科研人員從現有條件和工藝可實現的角度考慮，採用了埋置型結構實現T/R組件的三維集成。具體思路是先製作一個帶有腔體的多層互聯基板，將晶元置於腔體內，再製作一個多層互聯基板並覆蓋在上一個腔體上，焊接相連，最後在頂層基板上貼裝一些元器件與晶元，並以引線鍵和實現各晶元與外圍電路互聯。

這種三維封裝技術，滿足了機載X波段AESA對 T/R 組件重量輕、體積小的需求，從而使中國戰鬥機AESA雷達的T/R模塊能有較高安裝密度。

（四）看得遠更看得清，還因一顆「中國芯」

優秀的雷達不僅經要看得遠，更要看得清。

軍用雷達運用中面臨著多種信號的干擾和威脅，既有各類有源（敵方干擾機、自身其他無線電設備）與無源干擾（箔條、誘餌等），亦有大氣環境中的昆蟲、鳥類等體雜波、地面海面起伏引起的面雜波、降雨層、積雲層帶來的氣象雜波干擾。這就要求雷達系統對無線電電磁波信號的發送和回傳信號進行必要處理，將目標的回波從混疊信號中有效地分離出來。

此外，雷達系統還需通過信號處理來獲取目標如距離、速度、目標種類等各種有用信息，而後通過數據處理進一步對目標的連續位置信息進行處理，形成可靠的目標航跡，從而實現對目標的實時跟蹤。

而雷達系統進行信號與數據處理均是通過任務電子系統來完成的，若沒有極強的運算能力，極易出現數據超載無法維持已經建立的追蹤軌跡，甚至將本已成功追蹤到的目標作為新目標重新加以跟蹤的情況，這將進一步加大對雷達數據運算能力的壓力，引發雷達系統「宕機」。

以往雷達任務電子系統針對信號與數據處理，通常採用專用晶元或FPGA硬體的方法實現，然而AESA雷達的工作體制下數字運算量大大增加，隨著半導體工藝水平和微處理器並行處理能力的不斷提高，基於DSP（數字信號處理器）以軟體方法實現高性能數字脈衝壓縮成為主流。

不過，因受限國內電子信息工業水平，過去中國雷達所需高端專用多核DSP晶元依賴進口，極易被國外卡住脖子。而現在,包括戰鬥機載X波段AESA在內的多型雷達均已使用上了「中國芯」——基於華睿1號的DSP。

華睿1號DSP為自主研發、面向雷達應用的高性能4核DSP，主要用於高實時、高吞吐率、高密度計算的實時信號處理系統。

四片華睿1號是信號處理模塊的處理核心，單片工作主頻為550MHz，處理能力32GFMACS，功耗為10W，每片CPU 有兩個DDR 通道，單通道DDR 容量1GB。就技術指標而言，華睿1號DSP 性能已不遜於美軍廣泛使用的MPC8640D（雙核處理，單片工作主頻533MHz，1GB DDR）等產品，適用於對實時性要求較高的雷達信號處理和電子對抗等領域。

華睿1號DSP的出現極大提高了中國AESA雷達信號處理系統的性能，在複雜雜波環境下具有很高的檢測概率和很低的虛警率，也讓雷達在同一戰機平台上具有多功能，在複雜戰場環境下完成多種戰鬥任務。

長期以來，中國大量進口電子元器件，前不久「中興禁售案」更引發了人們對國防電子工業是否會被卡脖子的堪憂。但需要注意的是，因需求導向不同，民用電子元器件大量進口與核心層級軍品元器件自給並不矛盾。目前國產電子元器件在成品率、可靠性、製造成本等方面仍與西方發達國家有一定差距，但設計水平與性能指標上已處同一梯隊，且完全能滿足中國軍事領域信息化的需求。

結語

集成了大量不同類型半導體元器件的AESA雷達考驗著一個國家電子工業整體水平，隨著多型國產戰鬥機開始大規模列裝AESA雷達並推向出口市場，或許不久的將來我們能看到國產戰機全面AESA化，並能帶動民用相關領域能夠實現重要、關鍵、核心層級國產化。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！