“白菜化”的有源相控陣?yán)走_(dá)

就在幾個(gè)月之前，一則消息被各大媒體平臺(tái)報(bào)道：2023年7月3日，為維護(hù)國家安全和利益，中國相關(guān)部門發(fā)布公告，決定自8月1日起，對(duì)鎵和鍺兩種關(guān)鍵金屬實(shí)行出口管制。至此有不少不關(guān)注該領(lǐng)域的讀者突然意識(shí)到，不知道從什么時(shí)候開始，我國的鎵和鍺已經(jīng)悄悄成為了世界最大的出口國。

根據(jù)一份中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所2020年的一份報(bào)告顯示，目前鎵的世界總儲(chǔ)量約 23 萬噸，中國的鎵金屬儲(chǔ)量居世界第一，約占世界總儲(chǔ)量的 80%-85%，而我國的鎵產(chǎn)量則是壓倒性的占到了全球產(chǎn)量的90%到95%。而作為鎵的化合物，砷化鎵、氮化鎵則是重要的制造相控陣雷達(dá)。不知道各位有沒有注意到這幾年之中，曾經(jīng)“高大上”的有源相控陣雷達(dá)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“有源相控陣”雷達(dá)在我國民用領(lǐng)域的“白菜化”。

“有源相控陣”這個(gè)概念得分為兩個(gè)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(dá)就是“相位控制雷達(dá)”的簡稱，它是用天線掃描方式不同來區(qū)別出的一類雷達(dá)，與其相對(duì)應(yīng)的是機(jī)械掃描雷達(dá)。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(xiàn)象來控制電磁波的發(fā)射方向的一種技術(shù)。

而“有源”則是對(duì)應(yīng)上一代相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的“無源”：無源相控陣上是由一個(gè)統(tǒng)一的放大器來調(diào)節(jié)每個(gè)小單元上的信號(hào)強(qiáng)度。其劣勢十分明顯，因?yàn)榻y(tǒng)一由一個(gè)放大器裝置控制，只要雷達(dá)有一部分遭到損壞，就有很大概率會(huì)讓整個(gè)雷達(dá)停止工作，而且由于每個(gè)單元的信號(hào)強(qiáng)度都是統(tǒng)一分配的，其功能和信號(hào)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(fù)眼，由無數(shù)相互獨(dú)立的收發(fā)單元組成，每個(gè)小單元擁有獨(dú)立的放大器，這些一組組的雷達(dá)模塊被稱為T/R模塊，每個(gè)T/R模塊接收到的電磁波信號(hào)都是弱信號(hào)，T/R模塊的天線根據(jù)自己的需要將電磁波信號(hào)放大到需要的程度。這樣每個(gè)T/R模塊都能獨(dú)立完成任務(wù)，一個(gè)雷達(dá)就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種功能。

曾幾何時(shí)，“有源相控陣”還是國內(nèi)大眾一聽名字就覺得高大上的高科技產(chǎn)品（也確實(shí)是高科技），一度是歐美軍艦上的高技術(shù)水平裝備，就連世界最強(qiáng)大的美國海軍也只在其主力艦艇“阿利·伯克”級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦上部分裝備有源相控陣?yán)走_(dá)（AN/SPY-6(V)型 空中搜索雷達(dá)）。因此，有源相控陣一直是高價(jià)值、高技術(shù)的代名詞。第一是技術(shù)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(guān)注國內(nèi)軍事信息的讀者可能已經(jīng)注意到，和歐美軍艦“省吃儉用”裝少量相控陣?yán)走_(dá)不同，中國的軍艦均大范圍安裝相控陣?yán)走_(dá)。

而在民用領(lǐng)域，最早在網(wǎng)絡(luò)上引起我國網(wǎng)友關(guān)注的則是2022年的一則消息：“我國農(nóng)民采用有源相控陣?yán)走_(dá)防治野豬侵?jǐn)_”。

在2022年，野豬還是三級(jí)保護(hù)動(dòng)物，但是隨著我國自然環(huán)境的快速恢復(fù)，野豬的數(shù)量迅速增長，在局部地區(qū)已經(jīng)泛濫成災(zāi)，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)民帶來了極大的困擾。有些地區(qū)為了防止野豬的進(jìn)犯，安排了大量人員巡邏驅(qū)趕，但時(shí)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(dòng)驅(qū)趕野豬的設(shè)備，那就皆大歡喜了。

有需求就有市場，國內(nèi)的相關(guān)廠商就做出了村民們需要的設(shè)備。這就是我們這邊文章的主角——“有源相控陣?yán)走_(dá)”。

這是由英飛睿推出的民用有源相控陣產(chǎn)品，其型號(hào)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(shí)別、跟蹤、鎖定移動(dòng)車輛、無人機(jī)、船只或行人等目標(biāo)。技術(shù)人員把鎖定人的參數(shù)改一改，S5000也能能鎖定野豬。S5000僅有15公斤重，可以監(jiān)控10公里內(nèi)的100個(gè)目標(biāo)。8Mbps的帶寬即可滿足傳輸需要，在通信條件薄弱的地區(qū)使用更方便；即插即用、一鍵啟用，即使非專業(yè)人員也能快速掌握。

更加重要的是，英飛睿產(chǎn)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(xù)保障。獨(dú)有的信號(hào)處理算法，能有效抑制雜波，在復(fù)雜的背景中識(shí)別目標(biāo)。這對(duì)于我國一些偏遠(yuǎn)、人均收入相對(duì)不高農(nóng)村地區(qū)可謂是野豬防治的“撒手锏”。

據(jù)悉，在實(shí)際的使用中，村民們先用雷達(dá)鎖定目標(biāo)，然后再派出大疆T50民用無人機(jī)進(jìn)行驅(qū)趕，好巧不巧大疆T50也是標(biāo)配了兩面有源相控陣?yán)走_(dá)陣列（其型號(hào)為：前相控陣數(shù)字雷達(dá)：RD241608RF；后相控陣數(shù)字雷達(dá)：RD241608RB）可以高效助力無人機(jī)進(jìn)行地形識(shí)別比配、避障。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)野豬的快速驅(qū)離。

我國民用有源相控陣?yán)走_(dá)的又一次“出圈”，則是發(fā)生在2023年3月：湖北首部相控陣天氣雷達(dá)完成吊裝。

這一則短短的消息很快引發(fā)了網(wǎng)友的關(guān)注，最初倒不是對(duì)于雷達(dá)性能的討論，而是其安裝的位置，湖北隨州大洪山風(fēng)景區(qū)內(nèi)寶篋塔頂。一時(shí)間，網(wǎng)友紛紛戲稱“賽博佛寺”，像極了《三體》中的紅岸基地。

其實(shí)，有源相控陣?yán)走_(dá)用于天氣領(lǐng)域是其最早的“軍轉(zhuǎn)民”領(lǐng)域之一。在北京大興機(jī)場中的C波段全數(shù)字有源相控陣天氣雷達(dá)就已經(jīng)被充分運(yùn)用，由于相較于傳統(tǒng)機(jī)械雷達(dá)的高速掃描，常規(guī)天氣雷達(dá)需要6分鐘完成一次11層體積掃描，該雷達(dá)只需要1分鐘就能完成。而又得益于其“有源”的設(shè)計(jì)，全面提高了地物雜波抑制能力、抗干擾能力與自動(dòng)化探測能力，能更快、更準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)雷雨、大風(fēng)、下?lián)舯┝?、風(fēng)切變等影響航空安全的危險(xiǎn)天氣，并能更加精細(xì)化捕捉與分析危險(xiǎn)天氣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為精準(zhǔn)航空預(yù)報(bào)服務(wù)提供探測依據(jù)。

而這則新聞中出現(xiàn)的雷達(dá)，就是在氣象領(lǐng)域中最先進(jìn)的雷達(dá)之一——X波段雙偏振相控陣天氣雷達(dá)。該雷達(dá)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(guān)鍵設(shè)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(tái)和邊界層垂直梯度自然觀測平臺(tái)。

根據(jù)氣象專家的介紹，雙偏振相控陣?yán)走_(dá)在反應(yīng)速度、數(shù)據(jù)更新速率、多目標(biāo)追蹤能力、空間分辨率、多功能性和抗干擾能力等方面將優(yōu)于傳統(tǒng)天氣雷達(dá)。該雷達(dá)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(tài)分布、空間取向、降水類型等，有助于提高龍卷、下?lián)舯┝鞯葟?qiáng)對(duì)流天氣的精準(zhǔn)氣象預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)。

為什么曾經(jīng)高大上的有源相控陣?yán)走_(dá)可以在我國遍地開花呢？這個(gè)問題可以從兩個(gè)方面回答，第一是原材料、第二是技術(shù)水平。

有源相控陣的所使用的材料一般為砷化鎵、氮化鎵，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(chǎn)量以絕對(duì)的優(yōu)勢穩(wěn)居世界第一。而中國的鎵產(chǎn)量為什么能在世界之中一騎絕塵呢？

首先，我國的鎵儲(chǔ)量十分豐富，全世界68%的鎵儲(chǔ)量都在我國；其次，鎵是電解鋁的副產(chǎn)物，雖然電解鋁并不是什么困難的技術(shù)，但是規(guī)模化的電解鋁耗電巨大，難的是如何建立龐大的電力體系。據(jù)了解，每噸電解鋁耗電量約為1.35萬度電。而根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)來看，我國電解鋁（原鋁）產(chǎn)量為4021.4萬噸，簡單計(jì)算一下，2022年我國電解鋁行業(yè)耗電總量就超過5400億度電，這是什么概念呢？2021年，法國的發(fā)電量也就只有5472億度電，我國僅電解鋁行業(yè)耗電就相當(dāng)于法國2021年全國發(fā)電量。最后，總結(jié)來說，巨大的探明鎵儲(chǔ)量是基礎(chǔ)，巨大的發(fā)電量是助力，從而早就了我國巨大的鋁產(chǎn)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鎵的產(chǎn)量遙遙領(lǐng)先。

除了我國鎵原料產(chǎn)量巨大這點(diǎn)，各位讀者有沒有意識(shí)到還少了些什么要點(diǎn)？沒錯(cuò)，就是需求。一個(gè)健康的商業(yè)生產(chǎn)，其產(chǎn)能，必將對(duì)應(yīng)其需求。提到市場需求，我國大力發(fā)展的5G基站，近幾年GaN功率器件的手機(jī)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(yè)的集體爆發(fā)，我國企業(yè)把氮化鎵的成本干到極低。

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

1949年5月，我軍接管了國民黨的雷達(dá)研究所（小紅樓），標(biāo)志著我國雷達(dá)工業(yè)的發(fā)展從此揭開了序幕。自1953年起，我國建立了雷達(dá)生產(chǎn)基地，從仿制蘇聯(lián)產(chǎn)品做起，先后推出了國產(chǎn)仿制的警戒雷達(dá)、炮瞄雷達(dá)、艦用雷達(dá)、機(jī)載雷達(dá)、指標(biāo)儀、制導(dǎo)雷達(dá)和末制導(dǎo)雷達(dá)等等。

時(shí)間來到60年代，隨著中蘇交惡，蘇聯(lián)單方面撕毀合同，撤走全部專家，我國提出了“兩彈為主，導(dǎo)彈第一，努力發(fā)展電子技術(shù)”的方針，為我國未來雷達(dá)事業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，我國雷達(dá)技術(shù)也進(jìn)入了高速追趕時(shí)期，直到70年代，雷達(dá)新技術(shù)不斷被突破，品種增多，單脈沖跟蹤體制技術(shù)，脈沖壓縮體制技術(shù)，多普勒體制技術(shù)，相控陣體制技術(shù)和成像體制技術(shù)開始逐漸被我國所掌握，同時(shí)，我國的自主生產(chǎn)的產(chǎn)品開始逐漸被國際社會(huì)所接受，開始對(duì)外出口。

90年代，隨著海灣戰(zhàn)爭的爆發(fā)，美國為全世界“表演”了什么是真正的現(xiàn)代化信息戰(zhàn)爭，領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)盟軍隊(duì)摧枯拉朽式地戰(zhàn)勝了不可一世的伊拉克軍隊(duì)之后，我國猛然意識(shí)到：雷達(dá)在情報(bào)偵察、指揮控制、作戰(zhàn)管理效能評(píng)估等方面起到的不可替代的作用，同時(shí)也反映了雷達(dá)受到隱身技術(shù)、反輻射導(dǎo)彈、電子干擾、低空飛行器等方面的威脅。馬上著手于先進(jìn)雷達(dá)的研究論證，經(jīng)過眾多“雷達(dá)人”努力，中國雷達(dá)技術(shù)開始與世界先進(jìn)水平接軌，并在發(fā)展為如今的局部領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。

回望這70年來，我國孜孜不倦地大力發(fā)展雷達(dá)技術(shù)，現(xiàn)在雖不能說遙遙領(lǐng)先，但也是擁有了世界一流的雷達(dá)技術(shù)，加之“白菜價(jià)”的氮化鎵原材料，就不難理解為什么如今有源相控陣?yán)走_(dá)已經(jīng)在我國遍地開花了。

雖然說在雷達(dá)領(lǐng)域我國軍民融合這條路走得十分優(yōu)秀，但是就目前來看，我國在氮化鎵領(lǐng)域還存在不小的問題：我國隨在原料供應(yīng)上有著不小的優(yōu)勢，甚至遙遙領(lǐng)先，我國國內(nèi)也有像三安集成和海威華芯具有量產(chǎn)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(chǎn)廠家依舊集中在歐洲國家及日本等，我國企業(yè)尚未進(jìn)入供給端第一梯隊(duì)。

中國氮化嫁（GaN）代表企業(yè)及業(yè)務(wù)

根據(jù)《第三代半導(dǎo)體-氮化鎵（GaN）技術(shù)洞察報(bào)告》顯示：中國、美國和日本為氮化鎵技術(shù)熱點(diǎn)布局的市場。其中，美國和日本起步較早，于20世紀(jì)70年代初，而中國起步雖晚，但后起發(fā)力強(qiáng)勁。值得注意的是，目前全球的氮化鎵技術(shù)主要來源于日本。氮化鎵產(chǎn)業(yè)國外重點(diǎn)企業(yè)包括日本住友，美國Cree，德國英飛凌，韓國LG、三星等，中國企業(yè)代表有晶元光電、三安光電、臺(tái)積電、華燦光電等。但目前中國企業(yè)和國外企業(yè)相比，專利申請數(shù)量仍有一定差距。

而我國也看到了這一點(diǎn)，國家希望通過“十四五”規(guī)劃，把第三代半導(dǎo)體提升至戰(zhàn)略高度，第三代半導(dǎo)體可能成為我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的彎道超車機(jī)會(huì)。在未來如果我國能在氮化鎵領(lǐng)域更進(jìn)一步，想必未來有源相控陣?yán)走_(dá)，可以運(yùn)用的更加廣泛，助力我們的日常生活。