不仅性能好还有一颗中国“芯”,国产相控阵雷达厉害了

subtitle 了不起的中国制造07-03 07:10 跟贴 24204 条
相控阵雷达分为有源相控阵雷达和无源相控阵雷达,其设计和制造极为尖端。半导体衬底决定着雷达的探测性能,3D封装技术可以让相控阵雷达身形更轻薄,而国产芯片让它不仅看得远更能看得清。

出品| 网易新闻

作者| 404 not found,军事爱好者

雷达研制水平是衡量一个国家军事电子工业的标尺,其中相控阵雷达是军用雷达中的皇冠,其设计和制造水平最为尖端。

而战斗机装备的相控阵雷达,因平台尺寸受限、工作环境恶劣,对雷达尺寸、重量、可靠性有严苛的要求,而且,战斗机做为空军主战平台,所需雷达系统数量、规模远超其他平台,因而更考验着军用电子工业的研发与制造水平。

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(一)什么是相控阵雷达?

所谓相控阵雷达技术,简单讲就是在一个阵面上放置了大量的辐射器(小天线)组成的阵列,辐射器数量成百上千,每个辐射器的后面都接有一个可控移相器,移相器由电子计算机控制。典型的相控阵是利用电子计算机控制移相器改变天线孔径上的相位分布来实现波束在空间的扫描,即电子扫描。

相控阵雷达又分为有源(AESA)和无源(PESA)两类,其实从外部来看,它们很难区分,两者天线阵基本相同,其主要区别在于发射/接收元素的多少。

其中,PESA天线表面阵元只有改变信号相位的能力而没有发射信号的能力,信号的产生还是依靠天线后方的信号产生器,然后利用波导管将产生的信号送到信号放大器上,再传送到阵列单元上面,接收时则反向而行。这和机械扫描脉冲多普勒雷达产生信号的方式一样,区别主要在天线上。

而AESA雷达的每个阵元都配装有一个发射/接收组件,天线表面的每一个阵列单元都能自己产生、接收电磁波。其天线不需要依靠讯号产生器以及波导管馈送讯号,大多数元器件例如低噪放(LNA)、功放、双工器、移相器等都被小型化并组成一个T/R模块,每个T/R模块可以被理解为一个小型雷达。

由于AESA 的辐射单元与 LNA 之间只有双工器和低能量接收机保护装置这两道“关卡”,系统内部的单程典型信号损失 (不包括 LNA 自身信号损失在内)小 ,因此灵敏度提高、探测距离大幅延长,更可将波束集中在窄角度能量集里,提高对低RCS目标的探测能力,或以不同频率、角度发射多个波束,同时完成多个任务。

(二)雷达好不好,关键看半导体材料

现代雷达的基础是半导体器件,雷达电子器件的大规模集成电路被植入在半导体之上,这些半导体被称为衬底。

一般的半导体衬底都有击穿电压,一旦电压超过限度,器件就要损坏。它也对应了一个电子漂移速率,这是其材料的自由电子脱离原电子轨道和结合新电子轨道的速率决定的。脱离的难易程度叫做禁带宽度,禁带越宽,相应的击穿电压就越大,器件最大输出功率也更大,电路开关响应速率就更快,可以做更高频率的微波器件。

而微波器件的功率与频率往往决定了雷达本身的探测性能,在隐形技术不断扩散的今天,更高的工作功率与频率也有助于雷达在更远距离发现低RCS目标。

在微波大功率的半导体材料应用上,目前大多采用砷化镓(GaAs),当前在射频和微波频段下常用的功率器件多为基于砷化镓材料的HFET(高电子迁移率晶体管)和PHEMT器件。然而,随着对更高频率、功率的追求,对于砷化镓来说有很大的困难,这就需要新材料来突破这个瓶颈。

作为第三代半导体材料的GaN(氮化镓)应运而生,目前氮化镓已经占领一些民用蜂窝基础设施等市场,并逐步扩展了在高功率微波军事领域中的应用。

氮化镓半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、电子饱和漂移速度高的特点,对于高频率信号的响应更佳,其在高功率放大器的设计、生产及运行中有显著优势。在加热状况下,氮化镓晶体管能在微波频率有效放大高功率射频信号,其射频功放提供的功率是砷化镓的5倍,可使军用射频组件尺寸不增而进一步提高功率,从而提升雷达探测性能。

此外,因AESA的T/R模块功率利用有限(一般在30%左右),大部分能量被转换成热量散失,整个阵面上千个T/R单元在工作时,其产生的热量相当可观,这就需要额外的冷却系统。

而氮化镓材料大禁带宽度特性也使得其散热性能比砷化镓更好,基于氮化镓的器件能够比砷化镓器件在高很多的温度下工作,功率相当情况下采用的配套散热器的体积可以进一步缩小,这对于空间紧张、重量分布条件苛刻的战斗机平台来说是个很大的优点。

早在2010年,国内已研发出输出功率达50W 的X波段氮化镓功放管,MMIC(单片微波集成电路)的输出功率已大于10W,丝毫不逊于F-22战机APG-77雷达的元器件(8~10W)。这为国产x波段机载AESA雷达所需大功率微波器件的工程应用提供了帮助。

(三)3D封装技术让有源相控阵雷达更轻薄

AESA雷达的性能指标和T/R模块封装技术也密切相关。

衡量一部雷达的探测能力,通常需考虑雷达辐射的平均功率与雷达天线面积的乘积——功率孔径积,而AESA的电波,是由天线上的半导体微波单位(T/R模块)发射的,每单元功率是有上限的,若要增加雷达功率,除了提升材料制程以增进一点单元功率外,更主要的办法是增加T/R数,即增大天线面积形成更高的功率孔径积。

然而,战斗机载AESA雷达因受制于平台基本气动布局影响,天线面积往往受限机头直径不可能随意增加。在基本尺寸固定的情况下,要想进一步增加单元数量发掘雷达性能,就只有在T/R组件小型化与安装水平上下功夫。

此前,AESA雷达大部分多芯片组件采用二维结构形式,长条状的“砖块”型 T/R组件对IC芯片进行高密度组装,该种方式组装密度已发展到上限,很难进一步提高。如今,微波组件的小型化、高密度、多功能趋势使传统的二维结构组装开始向三维结构组装发展。

而“瓦片”式T/R 组件是在三维高密度集成技术基础上发展起来的新一代T/R组件,相对于目前常用的长条状“砖 块”型 T/R组件而言,它外形像一个瓦片。

“瓦片”式T/R 组件最重要的特点就是将组件的平面结构变为三维结构,把芯片和电路的空间向三维方向发展,提高集成密度,在T/R 组件功能不变的基础上,缩小体积、减轻重量,从而控制雷达整机尺寸重量达到较好适装性。

国内科研人员从现有条件和工艺可实现的角度考虑,采用了埋置型结构实现T/R组件的三维集成。具体思路是先制作一个带有腔体的多层互联基板,将芯片置于腔体内,再制作一个多层互联基板并覆盖在上一个腔体上,焊接相连,最后在顶层基板上贴装一些元器件与芯片,并以引线键和实现各芯片与外围电路互联。

这种三维封装技术,满足了机载X波段AESA对 T/R 组件重量轻、体积小的需求,从而使中国战斗机AESA雷达的T/R模块能有较高安装密度。

(四)看得远更看得清,还因一颗“中国芯”

优秀的雷达不仅经要看得远,更要看得清。

军用雷达运用中面临着多种信号的干扰和威胁,既有各类有源(敌方干扰机、自身其他无线电设备)与无源干扰(箔条、诱饵等),亦有大气环境中的昆虫、鸟类等体杂波、地面海面起伏引起的面杂波、降雨层、积云层带来的气象杂波干扰。这就要求雷达系统对无线电电磁波信号的发送和回传信号进行必要处理,将目标的回波从混叠信号中有效地分离出来。

此外,雷达系统还需通过信号处理来获取目标如距离、速度、目标种类等各种有用信息,而后通过数据处理进一步对目标的连续位置信息进行处理,形成可靠的目标航迹,从而实现对目标的实时跟踪。

而雷达系统进行信号与数据处理均是通过任务电子系统来完成的,若没有极强的运算能力,极易出现数据超载无法维持已经建立的追踪轨迹,甚至将本已成功追踪到的目标作为新目标重新加以跟踪的情况,这将进一步加大对雷达数据运算能力的压力,引发雷达系统“宕机”。

以往雷达任务电子系统针对信号与数据处理,通常采用专用芯片或FPGA硬件的方法实现,然而AESA雷达的工作体制下数字运算量大大增加,随着半导体工艺水平和微处理器并行处理能力的不断提高,基于DSP(数字信号处理器)以软件方法实现高性能数字脉冲压缩成为主流。

不过,因受限国内电子信息工业水平,过去中国雷达所需高端专用多核DSP芯片依赖进口,极易被国外卡住脖子。而现在,包括战斗机载X波段AESA在内的多型雷达均已使用上了“中国芯”——基于华睿1号的DSP。

华睿1号DSP为自主研发、面向雷达应用的高性能4核DSP,主要用于高实时、高吞吐率、高密度计算的实时信号处理系统。

四片华睿1号是信号处理模块的处理核心,单片工作主频为550MHz,处理能力32GFMACS,功耗为10W,每片CPU 有两个DDR 通道,单通道DDR 容量1GB。就技术指标而言,华睿1号DSP 性能已不逊于美军广泛使用的MPC8640D(双核处理,单片工作主频533MHz,1GB DDR)等产品,适用于对实时性要求较高的雷达信号处理和电子对抗等领域。

华睿1号DSP的出现极大提高了中国AESA雷达信号处理系统的性能,在复杂杂波环境下具有很高的检测概率和很低的虚警率,也让雷达在同一战机平台上具有多功能,在复杂战场环境下完成多种战斗任务。

长期以来,中国大量进口电子元器件,前不久“中兴禁售案”更引发了人们对国防电子工业是否会被卡脖子的堪忧。但需要注意的是,因需求导向不同,民用电子元器件大量进口与核心层级军品元器件自给并不矛盾。目前国产电子元器件在成品率、可靠性、制造成本等方面仍与西方发达国家有一定差距,但设计水平与性能指标上已处同一梯队,且完全能满足中国军事领域信息化的需求。

结语

集成了大量不同类型半导体元器件的AESA雷达考验着一个国家电子工业整体水平,随着多型国产战斗机开始大规模列装AESA雷达并推向出口市场,或许不久的将来我们能看到国产战机全面AESA化,并能带动民用相关领域能够实现重要、关键、核心层级国产化。

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编辑| 史文慧

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