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“白菜化”的有源相控陣雷達

作者:時間:2024-01-12來源:EEPW收藏

就在幾個月之前,一則消息被各大媒體平臺報道:2023年7月3日,為維護國家安全和利益,中國相關部門發布公告,決定自8月1日起,對鎵和鍺兩種關鍵金屬實行出口管制。至此有不少不關注該領域的讀者突然意識到,不知道從什么時候開始,我國的鎵和鍺已經悄悄成為了世界最大的出口國。

本文引用地址:http://www.7menf.com/article/202401/454769.htm

根據一份中國地質科學院礦產資源研究所2020年的一份報告顯示,目前鎵的世界總儲量約 23 萬噸,中國的鎵金屬儲量居世界第一,約占世界總儲量的 80%-85%,而我國的鎵產量則是壓倒性的占到了全球產量的90%到95%。而作為鎵的化合物,砷化鎵、則是重要的制造。不知道各位有沒有注意到這幾年之中,曾經“高大上”的有源在中國漸漸變得“白菜化”了?這篇文章就讓咱們一起來看一看“有源在我國民用領域的“白菜化”。

“有源相控陣”這個概念得分為兩個部分來理解:一是“有源”;二是“相控陣”。

我們先來簡單解釋一下“相控陣”:所謂“相控陣”雷達就是“相位控制雷達”的簡稱,它是用天線掃描方式不同來區別出的一類雷達,與其相對應的是機械掃描雷達。顧名思義,相位控制就是通過控制電磁波的相位差,利用電磁波的干涉現象來控制電磁波的發射方向的一種技術。

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而“有源”則是對應上一代相控陣雷達技術的“無源”:無源相控陣上是由一個統一的放大器來調節每個小單元上的信號強度。其劣勢十分明顯,因為統一由一個放大器裝置控制,只要雷達有一部分遭到損壞,就有很大概率會讓整個雷達停止工作,而且由于每個單元的信號強度都是統一分配的,其功能和信號的靈活程度,也受到了很大的影響。而有源相控陣則是像蜻蜓的復眼,由無數相互獨立的收發單元組成,每個小單元擁有獨立的放大器,這些一組組的雷達模塊被稱為T/R模塊,每個T/R模塊接收到的電磁波信號都是弱信號,T/R模塊的天線根據自己的需要將電磁波信號放大到需要的程度。這樣每個T/R模塊都能獨立完成任務,一個雷達就可以同時實現多種功能。

曾幾何時,“有源相控陣”還是國內大眾一聽名字就覺得高大上的高科技產品(也確實是高科技),一度是歐美軍艦上的高技術水平裝備,就連世界最強大的美國海軍也只在其主力艦艇“阿利·伯克”級導彈驅逐艦上部分裝備有源相控陣雷達(AN/SPY-6(V)型 空中搜索雷達)。因此,有源相控陣一直是高價值、高技術的代名詞。第一是技術很難掌握,即便是掌握了,也很難大范圍普及。但是最近些年以來,關注國內軍事信息的讀者可能已經注意到,和歐美軍艦“省吃儉用”裝少量相控陣雷達不同,中國的軍艦均大范圍安裝相控陣雷達。

而在民用領域,最早在網絡上引起我國網友關注的則是2022年的一則消息:“我國農民采用有源相控陣雷達防治野豬侵擾”。

在2022年,野豬還是三級保護動物,但是隨著我國自然環境的快速恢復,野豬的數量迅速增長,在局部地區已經泛濫成災,給當地農民帶來了極大的困擾。有些地區為了防止野豬的進犯,安排了大量人員巡邏驅趕,但時間長了人困馬乏,人力成本很高,效果也很差。如果能有一款全自動驅趕野豬的設備,那就皆大歡喜了。

有需求就有市場,國內的相關廠商就做出了村民們需要的設備。這就是我們這邊文章的主角——“有源相控陣雷達”。

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這是由英飛睿推出的民用有源相控陣產品,其型號為S5000,采用Ku波段(12-18GHz頻段)的脈沖多譜勒體制,本來的用途是用來識別、跟蹤、鎖定移動車輛、無人機、船只或行人等目標。技術人員把鎖定人的參數改一改,S5000也能能鎖定野豬。S5000僅有15公斤重,可以監控10公里內的100個目標。8Mbps的帶寬即可滿足傳輸需要,在通信條件薄弱的地區使用更方便;即插即用、一鍵啟用,即使非專業人員也能快速掌握。

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更加重要的是,英飛睿產品的TR組件、有源相控陣等核心部件均為自研,成本可控、供貨可持續保障。獨有的信號處理算法,能有效抑制雜波,在復雜的背景中識別目標。這對于我國一些偏遠、人均收入相對不高農村地區可謂是野豬防治的“撒手锏”。

據悉,在實際的使用中,村民們先用雷達鎖定目標,然后再派出大疆T50民用無人機進行驅趕,好巧不巧大疆T50也是標配了兩面有源相控陣雷達陣列(其型號為:前相控陣數字雷達:RD241608;后相控陣數字雷達:RD241608RB)可以高效助力無人機進行地形識別比配、避障。從而實現對野豬的快速驅離。

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我國民用有源相控陣雷達的又一次“出圈”,則是發生在2023年3月:湖北首部相控陣天氣雷達完成吊裝。

這一則短短的消息很快引發了網友的關注,最初倒不是對于雷達性能的討論,而是其安裝的位置,湖北隨州大洪山風景區內寶篋塔頂。一時間,網友紛紛戲稱“賽博佛寺”,像極了《三體》中的紅岸基地。

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其實,有源相控陣雷達用于天氣領域是其最早的“軍轉民”領域之一。在北京大興機場中的C波段全數字有源相控陣天氣雷達就已經被充分運用,由于相較于傳統機械雷達的高速掃描,常規天氣雷達需要6分鐘完成一次11層體積掃描,該雷達只需要1分鐘就能完成。而又得益于其“有源”的設計,全面提高了地物雜波抑制能力、抗干擾能力與自動化探測能力,能更快、更準確發現雷雨、大風、下擊暴流、風切變等影響航空安全的危險天氣,并能更加精細化捕捉與分析危險天氣的內部結構,為精準航空預報服務提供探測依據。

而這則新聞中出現的雷達,就是在氣象領域中最先進的雷達之一——X波段雙偏振相控陣天氣雷達。該雷達是中國氣象局武漢暴雨研究所于2022年新建的大洪山暴雨立體垂直觀測基地關鍵設備之一。大洪山位于江漢平原北部,山體落差近1000米,是理想的垂直立體觀測天然平臺和邊界層垂直梯度自然觀測平臺。

根據氣象專家的介紹,雙偏振相控陣雷達在反應速度、數據更新速率、多目標追蹤能力、空間分辨率、多功能性和抗干擾能力等方面將優于傳統天氣雷達。該雷達不僅可以探測天氣過程的宏觀演變,還能獲取降水粒子的形狀、大小、相態分布、空間取向、降水類型等,有助于提高龍卷、下擊暴流等強對流天氣的精準氣象預報預警服務。

 

為什么曾經高大上的有源相控陣雷達可以在我國遍地開花呢?這個問題可以從兩個方面回答,第一是原材料、第二是技術水平。

有源相控陣的所使用的材料一般為砷化鎵、,讓我們回到本篇開頭的那則新聞:我國是世界上最大的鎵出口國,而且鎵產量以絕對的優勢穩居世界第一。而中國的鎵產量為什么能在世界之中一騎絕塵呢?

首先,我國的鎵儲量十分豐富,全世界68%的鎵儲量都在我國;其次,鎵是電解鋁的副產物,雖然電解鋁并不是什么困難的技術,但是規?;碾娊怃X耗電巨大,難的是如何建立龐大的電力體系。據了解,每噸電解鋁耗電量約為1.35萬度電。而根據國家統計局的數據來看,我國電解鋁(原鋁)產量為4021.4萬噸,簡單計算一下,2022年我國電解鋁行業耗電總量就超過5400億度電,這是什么概念呢?2021年,法國的發電量也就只有5472億度電,我國僅電解鋁行業耗電就相當于法國2021年全國發電量。最后,總結來說,巨大的探明鎵儲量是基礎,巨大的發電量是助力,從而早就了我國巨大的鋁產量,進而實現鎵的產量遙遙領先。

除了我國鎵原料產量巨大這點,各位讀者有沒有意識到還少了些什么要點?沒錯,就是需求。一個健康的商業生產,其產能,必將對應其需求。提到市場需求,我國大力發展的5G基站,近幾年GaN功率器件的手機快充,新能源汽車快充,都帶來了巨大的市場需求。2019年以來,隨著我國代工企業的集體爆發,我國企業把的成本干到極低。

而談到雷達技術,我國的相關研究起源于上世紀40年代末50年代初,距今不過短短幾十年。我國的雷達從南京“小紅樓”誕生,走向全國各地,從弱到強。

1949年5月,我軍接管了國民黨的雷達研究所(小紅樓),標志著我國雷達工業的發展從此揭開了序幕。自1953年起,我國建立了雷達生產基地,從仿制蘇聯產品做起,先后推出了國產仿制的警戒雷達、炮瞄雷達、艦用雷達、機載雷達、指標儀、制導雷達和末制導雷達等等。

時間來到60年代,隨著中蘇交惡,蘇聯單方面撕毀合同,撤走全部專家,我國提出了“兩彈為主,導彈第一,努力發展電子技術”的方針,為我國未來雷達事業的發展奠定了基礎,我國雷達技術也進入了高速追趕時期,直到70年代,雷達新技術不斷被突破,品種增多,單脈沖跟蹤體制技術,脈沖壓縮體制技術,多普勒體制技術,相控陣體制技術和成像體制技術開始逐漸被我國所掌握,同時,我國的自主生產的產品開始逐漸被國際社會所接受,開始對外出口。

90年代,隨著海灣戰爭的爆發,美國為全世界“表演”了什么是真正的現代化信息戰爭,領導聯盟軍隊摧枯拉朽式地戰勝了不可一世的伊拉克軍隊之后,我國猛然意識到:雷達在情報偵察、指揮控制、作戰管理效能評估等方面起到的不可替代的作用,同時也反映了雷達受到隱身技術、反輻射導彈、電子干擾、低空飛行器等方面的威脅。馬上著手于先進雷達的研究論證,經過眾多“雷達人”努力,中國雷達技術開始與世界先進水平接軌,并在發展為如今的局部領域處于領先地位。

回望這70年來,我國孜孜不倦地大力發展雷達技術,現在雖不能說遙遙領先,但也是擁有了世界一流的雷達技術,加之“白菜價”的氮化鎵原材料,就不難理解為什么如今有源相控陣雷達已經在我國遍地開花了。

雖然說在雷達領域我國軍民融合這條路走得十分優秀,但是就目前來看,我國在氮化鎵領域還存在不小的問題:我國隨在原料供應上有著不小的優勢,甚至遙遙領先,我國國內也有像三安集成和海威華芯具有量產氮化鎵功率器件的能力。但是,目前在國際市場上,主流氮化鎵生產廠家依舊集中在歐洲國家及日本等,我國企業尚未進入供給端第一梯隊。

 

中國氮化嫁(GaN)代表企業及業務

 

根據《第三代半導體-氮化鎵(GaN)技術洞察報告》顯示:中國、美國和日本為氮化鎵技術熱點布局的市場。其中,美國和日本起步較早,于20世紀70年代初,而中國起步雖晚,但后起發力強勁。值得注意的是,目前全球的氮化鎵技術主要來源于日本。氮化鎵產業國外重點企業包括日本住友,美國Cree,德國英飛凌,韓國LG、三星等,中國企業代表有晶元光電、三安光電、臺積電、華燦光電等。但目前中國企業和國外企業相比,專利申請數量仍有一定差距。

而我國也看到了這一點,國家希望通過“十四五”規劃,把第三代半導體提升至戰略高度,第三代半導體可能成為我國半導體產業發展的彎道超車機會。在未來如果我國能在氮化鎵領域更進一步,想必未來有源相控陣雷達,可以運用的更加廣泛,助力我們的日常生活。




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