用相控阵雷达放羊、防盗墓?中国是怎么把相控阵雷达白菜化的?

作者:捷联初制导

本文转载自:军武次位面(ID:junwu233)

用相控阵雷达放羊、防盗墓?中国是怎么把相控阵雷达白菜化的?
近日,有网友爆料称,湖北随州大洪山风景区内悬沟山山顶的寺庙,顶部安装了一部雷达,被网友们戏称为“赛博朋克风”,“大慈大悲相控阵菩萨”、“像极了《三体》中的红岸基地”……
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据了解,这部雷达是由中国气象局武汉暴雨研究所、随州市气象局、湖北文旅集团,合作建设的X波段双偏振相控阵天气雷达。

这部雷达其实并没有建在寺庙顶部,而是在景区一座近年来新建的宝箧(qiè) 塔顶部,之所以选择佛塔顶部建雷达,是因为大洪山是少有的边界层垂直梯度自然观测平台。

此次安装的雷达不仅可以探测天气过程的宏观演变,还能获取降水粒子的形状、大小、相态分布、空间取向、降水类型等,有助于提高龙卷、下击暴流等强对流天气的精准气象预报预警服务。

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这部雷达在反应速度、数据更新速率、多目标追踪能力、空间分辨率、多功能性、抗干扰能力等方面更是完全碾压传统天气雷达。

在很多人印象里,相控阵雷达一直是高端货的代名词,当年多少军迷都是对着美军装备相控阵雷达的神盾舰艳羡不已,怎么如今中国的庙里都能用上相控阵雷达呢?

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相控阵雷达为什么高大上

相控阵雷达就是相位控制电子扫描阵列雷达的简称,要是直接说概念的话,恐怕大多数人都理解不了,那咱们就把它跟传统的机械扫描雷达对比来讲讲吧。
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我们知道,雷达探测目标主要利用的是多普勒效应原理,也就是雷达波从发射到从目标返回的总时间乘以光速,等于目标距离的两倍。

如果目标是移动的话,那么返回的信号频率就会和发射信号的频率不一样,就可以根据回波信号和发射信号的频率差或时间差,来计算目标速度和移动方向。

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传统的机械扫描雷达,就像是一个手电筒,由于照亮的光束(也就是雷达波瓣)宽度有限,所以想看哪个方位就得对准哪个方位,要想探测高低或其他方位,就需要天线不停地转动了,这也就是咱们大多数人对于雷达的印象。

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很明显,这种传统的机械扫描雷达,由于需要不停转动,每次探测到的目标数量很有限,数据更新会比较慢,而且机械驱动装置也存在一定故障率。

而相控阵雷达则相当于大量相同的手电筒(也就是T/R组件辐射单元)组成的阵面。
 
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这相控阵雷达里面又分为有源相控阵和无源相控阵。它俩的区别在于有源相控阵就是每个天线单元都自带发射器,无源相控阵就是只有一个主发射模块,其他都是被动接收。

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▲无源相控阵雷达示意图

无源相控阵的T/R组件都是一样大且固定的,而有源相控阵的T/R组件,每个都接有一个可控移相器,理论上能完成180度的扫描。
 
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由于不同的T/R组件可以承担不同的功能,有源相控阵的T/R组件既能独立发射雷达波,也能接收回波信号,除了传统的探索跟踪之外,还能进行电子干扰和远程通讯,功能比无源相控阵丰富多了。
 
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基于这种工作体制,目前的相控阵雷达,同时跟踪多个方向的几百个目标都没有问题,这么强大的跟踪多目标的能力是机械扫描雷达不能比拟的。

而且由于相控阵雷达扫描方式为电子控制而不必由机械转动,所以数据更新率大大提高,像机械扫描雷达数据更新周期为秒或十秒级,相控阵雷达则为毫秒或微秒级,非常适合对付高机动目标。

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所以,人们常把传统机械式扫描雷达比喻为“个体户”,而把相控阵雷达说成是“合作社”。那既然大家都知道相控阵这么好,为啥之前不见普及呢?

主要原因就是之前相控阵雷达实在是太贵了,只有土豪才能玩得起。

上面咱们已经说过,T/R组件是整个有源相控阵雷达的核心,每个T/R组件的价格大概在1000美元左右,而一个相控阵雷达上的T/R组件少则上千多则上万,光T/R组件的成本就能占整部雷达的60%-70%。

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美国F/A-18战斗机上采用的APG-79有源相控阵雷达,T/R组件只有1000多个,性能只能算是一般,军方采购价就得300来万美元。

T/R组件之所以昂贵,是因为其主要功能包括:在发射期间将频综送来的信号放大到指定功率;在接收期间低噪声放大回波信号;实现天线波束扫描所需的波束及相移控制等等。

要实现这么多的功能,其具体的组成必然非常复杂,像4通道的T/R组件主要组成包括:T/R模块、功分器、组件电源/控制电路三部分,其复杂程度要远超智能手机。

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▲T/R组件实物图

而且有源相控阵雷达采用的是高频率波段的发射机,需要由砷化镓或者氮化镓晶体管制成,这两种材料本身就非常昂贵。

像素有“半导体贵族”之称的砷化镓单晶片,价格大约相当于同尺寸硅单晶片的20至30倍。

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自然界中镓比较稀缺,砷又是有毒物质,生产砷化镓需要采用磊晶技术制造,由于磊晶圆直径通常为4-6英寸,比硅晶圆的12英寸要小得多,需要特殊的机台才能造,成本就很高。

而氮化镓不存在液态,没法像生产单晶硅那样用直拉法拉出单晶,只能纯粹靠气体反应人工合成。再加上反应时间长、副产物多,对设备要求苛刻,产能极低,导致其单晶材料极其难得,2英寸售价就高达2万多。

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除了原材料本生昂贵之外,T/R组件的成品率也非常低的,很容易生产出废品,所以算上这些成本,相控阵雷达不贵才怪呢。

既然相控阵雷达这么高大上,那中国又是怎么把它变成白菜的呢?

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价格屠夫是怎么炼成的
 
要说中国的相控阵雷达,其实起步不算晚,还记得军迷们经常津津乐道的张家口黄羊山上的7010相控阵雷达吗?

它就是我国第一部远程预警有源相控阵雷达,让中国成了美苏之后,世界上第三个掌握相控阵雷达技术的国家。

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这部1977年正式投入使用的雷达,电扫描天线阵面规格为20×40米,探测距离3000公里,可连续跟踪10批以上目标。

1983年时,曾准确预测苏联“宇宙1402号”核动力卫星的坠落时间和地点等数据,为我国的行动部署提供了有力的信息支持。

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▲于1983年失控并坠毁的“宇宙-1402”号核动力卫星

不过7010这样早期的有源相控阵雷达都是电子管体制,如果集成起来则面积与发射总耗电量都相当惊人,所以只能用作对太空目标的战略预警雷达。

尽管7010工程整体效果还可以,但到了1990年代以后,全球相控阵技术向高端集成电路发展的时候,中国卡在了T/R组件的生产技术上,没法做到相控阵雷达小型化,就没法给舰船和飞机上安装。

于是在上世纪末,某东方神秘大国便开始与某军工强国合作研发大型预警机。

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当时,神秘大国负责整体方案、算法和主要核心软件的开发,军工强国主要提供先进的T/R组件的生产工艺以及高成品率的品控管理技术。为以防万一,神秘大国国内也开展了并行研发工程。

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果不其然,在某超级大国的干涉下,东方神秘大国与某军工强国的合作被迫中止,但是神秘大国国内的并行工程却取得硕果。

在21世纪第一个10年里,中国突破了有源相控阵雷达技术,生产的X波段T/R模块功率达到10瓦/个。

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▲APG–77有源相控阵雷达

至于中国为什么能把相控阵雷达白菜化,那就是相控阵雷达重要的原材料——氮化镓的功劳了。

氮化镓(GaN)是一种非常坚硬且在机械方面非常稳定的宽带隙半导体材料,它的禁带宽度为3.4eV,约为砷化镓的2.4倍,功率密度能够达到后者的10倍左右。

相比于砷化镓T/R组件30%左右的模块效率,氮化镓T/R组件模块效率能够达到48%左右,而且氮化镓的熔点很高,达到了1700℃,大约是砷化镓的3倍左右,能以更高的功率工作更长时间。

其实这东西早在1989年,就被美国在实验室中合成了,只不过刚开始用来制作发光二极管,也就是LED灯,后来开始应用在新能源汽车、轨道交通、智能电网、半导体照明、新一代移动通信等领域。

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▲氮化镓发光二极管

2017年11月,英诺赛科(珠海)科技有限公司解决了高温环境下氮化镓薄膜冷却时容易发生破裂的问题,使得中国首条8英寸级硅基氮化镓生产线成功投产。

2019年,中电科13所和55所联手推出的新一代射频芯片项目获得了“国家科技进步一等奖”,国产氮化镓技术愈发成熟。

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近些年,随着技术突破,成本逐渐得到控制,氮化镓还被广泛运用到消费类电子产品上,例如,作为目前全球最快的功率开关器件,氮化镓就被用在手机大功率充电器上。

此外,现在相控阵雷达T/R组件的产品结构形式,也开始从“砖块”发展为“瓦片式”,可以减少印制电路板和连接器的数量,并能通过大规模制造技术和封装工艺,使成本能降低30%左右。

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▲手机用的氮化镓大功率充电器

中国这个市场体量,你懂的,一旦在民用市场能吃得开,必然会迅速铺开并且白菜化,而且中国一搞就是全产业链,这氮化镓的全产业链一铺开,用这个做的T/R组件价格自然也就下来了。
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于是,国内雷达、电子行业开始“严重内卷”,多个科研单位竞争激烈,部队胃口也被他们养得是越来越刁。
       
空军最新的歼-20就不用说了,歼-10C、歼-16等战斗机也装上了有源相控阵机载雷达,极大提升战斗机的态势感知能力。

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就连20吨的试验性小无人艇,都贴了四个有源相控阵,300吨级无人艇的有源相控阵雷达居然还是不同波段的两组,分别负责搜索和火控,这配置比伯克级驱逐舰还高。

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▲20吨的神盾艇

甚至连单兵雷达甚至也能用上相控阵,像步兵装备的这种小型雷达,一旦获得对方信息,就能通过内部信息化联通系统快速给活力分队分发探测结果,几秒内重火力随之招呼而来。

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与此同时,相控阵雷达的民用领域发展,也已经远超我们想象,其中发展最快的算是气象探测领域。

相控阵天气雷达对传统天气雷达绝对是降维性打击,像北京大兴机场使用的C波段全数字有源相控阵天气雷达,只需1分钟就能完成常规天气雷达需要6分钟,才能完成一次的11层体积扫描。

该雷达全面提高了地物杂波抑制能力和抗干扰能力和自动化探测能力,能更快、更准确的的发现雷雨、大风、下击暴流、风切变等影响航空安全的危险天气。

同时该雷达采用分布式发射和接收技术,可靠性也从常规雷达的600小时提升至3000小时以上。

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除了气象探测,野外文物保护也用上了相控阵雷达。像文物大省陕西由于古迹、遗址数量庞大且零散,预防这些摸金倒斗的一直是个问题。

但是现在有了相控阵雷达,找个高处一放,你看看,反应速度又快,目标更新速率又高,多目标追踪能力又强,分辨率还高,简直不要太轻松,现在丽山园、兵马俑一号遗址坑都已经用上了。

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当然了,相控阵雷达能用来防人,就能用来防其他动物,像Ku波段的单兵相控阵雷达,全重也就15公斤,俩人一抬就能走,户外雷电、雨雪等天气都没问题。

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它能对运动目标监测,并自动识别进行分类评级,监测视角可达±45度,可以同时监控100个目标,能探测5公里内的行人、10-15公里的车辆目标、3公里外的无人机目标、10-30公里的船只目标。

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如果用来驱赶野猪的话,只要场地能通视,再配上热成像,就能大大提高目标发现概率,再配合上无人机,一旦发现目标后就有无人机自动飞到目标地点进行驱离,简直不要太会玩。

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如今,中国的全产业链几乎都是给相控阵雷达配套的,想买机械扫描的都难,难怪有的网友就爆料说:

前几年公司想买几个摄像头装个监视器之类的安防设备,结果来了家没名气的小公司,掏出个半条烟大的盒子,说是包含8个 T/R组件的相控阵雷达,能同时跟踪64个目标,一个模组不到3000块钱,还能跟夜视摄像头联动,监测到移动目标自动锁定。

你看看,都白菜成这程度了,那回头灭蚊相控阵雷达是不是指日可待了?真到那时候,军武菌高低也得买一个!
 
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