“白菜化”的有源相控阵雷达

发布时间：

2024-05-28

几个月前，媒体纷纷报道了一则消息：自2023年8月1日起，中国将开始对镓和锗两种重要金属实施出口管制，以保护国家安全和利益。这一举措让许多人突然意识到，中国已成为全球镓和锗最大的出口国，而这一点似乎是在不知不觉中发生的。据中国地质科学院矿产资源研究所…

几个月前，媒体纷纷报道了一则消息：自2023年8月1日起，中国将开始对镓和锗两种重要金属实施出口管制，以保护国家安全和利益。这一举措让许多人突然意识到，中国已成为全球镓和锗最大的出口国，而这一点似乎是在不知不觉中发生的。

据中国地质科学院矿产资源研究所2020年的一份报告指出，全球镓的储量大约为23万吨，而中国的镓储量位居世界首位，占全球总储量的80%-85%。此外，中国的镓产量也占据了全球产量的90%至95%。镓的化合物，如砷化镓和氮化镓，在制造相控阵雷达方面具有重要应用。近年来，曾经高端的相控阵雷达在中国逐渐变得更加普及，这篇文章将探讨相控阵雷达在中国民用领域的普及过程。

要理解“有源相控阵”这个概念，我们需要从两个方面来解释：首先是“有源”，其次是“相控阵”。

让我们来简化一下“相控阵”雷达的概念：它是一种利用电磁波相位控制技术的雷达系统，与传统的机械扫描雷达形成对比。相控阵雷达通过调整电磁波的相位差，利用干涉原理来控制波束的发射方向。

至于“有源”一词，它是相对于早期的“无源”相控阵雷达而言的。在无源系统中，所有的小单元都由一个中央放大器来控制信号强度，这种结构的弱点在于，一旦雷达受损，整个系统可能失效。此外，统一分配的信号强度限制了功能和灵活性。相比之下，有源相控阵雷达就像是蜻蜓的复眼，由众多独立的收发单元组成，每个单元都有自己的放大器，这些单元被称为T/R模块。每个T/R模块接收到的信号都是微弱的，但它们可以根据需要放大信号。这种设计使得每个T/R模块都能独立工作，使得雷达系统能够执行多种功能。

在过去的时代，“有源相控阵”技术一直是国内大众眼中充满神秘色彩的高科技产物，确实，这一技术曾仅为欧美军队的先进舰艇配备，如美国海军的“阿利·伯克”级导弹驱逐舰，它们配备了先进的AN/SPY-6(V)型空中搜索雷达，这体现了有源相控阵技术的高价值和技术门槛。这项技术的掌握难度大，即便技术上有所突破，其广泛应用也面临着重重挑战。然而，近几年来，细心的军事观察者可能会发现，与欧美舰艇仅装备少量相控阵雷达的做法不同，中国海军的舰艇普遍安装了相控阵雷达系统。

在民用领域，关于有源相控阵技术的应用，最早引起公众广泛关注的新闻出现在2022年，那就是关于“我国农民利用有源相控阵雷达技术防治野猪破坏”的报道。

2022年，野猪还是受到三级保护的动物，但随着我国生态环境的快速恢复，野猪数量激增，在一些地区甚至出现了泛滥的情况，这对当地农民的生活造成了严重影响。为了抵御野猪的侵袭，一些地区采取了人员巡逻驱赶的措施，但这种方法既耗费人力物力，又效果有限。因此，如果能有一种全自动化的设备来驱赶野猪，将极大地减轻农民的负担。

市场需求催生了创新的解决方案。在国内，一些公司已经开发出了满足村民需求的设备，这就是我们故事的主角——民用有源相控阵雷达。

这款雷达是由英飞睿公司推出的，型号为S5000。它采用了Ku波段（12-18GHz频段）的脉冲多谱勒技术，原本设计用于识别、追踪和锁定移动车辆、无人机、船只或行人等目标。通过调整参数，技术人员使S5000能够有效地锁定野猪。S5000的重量仅为15公斤，能够监控10公里范围内的100个目标。其8Mbps的带宽能够满足数据传输的需求，尤其在通信条件不佳的地区使用更为便捷。该设备支持即插即用，一键启动，即使是非专业人员也能迅速上手。

更重要的是，英飞睿产品的TR组件和有源相控阵等核心部件都是自主研发的，这使得成本更加可控，供应也更加稳定。其独特的信号处理算法能够有效抑制杂波，在复杂的环境中准确识别目标。这对于我国一些偏远、人均收入较低的农村地区来说，无疑是防治野猪问题的有力工具。

据了解，在实际应用中，村民们首先使用雷达锁定野猪目标，然后派出配备了两面有源相控阵雷达阵列的大疆T50民用无人机进行驱赶。这种无人机能够高效地进行地形识别和避障，从而迅速将野猪驱离。

在2023年3月，我国民用有源相控阵雷达技术再次成为焦点，这次是因为湖北地区首台相控阵天气雷达成功安装。这一消息迅速在网上引起热议，而讨论的焦点并不是雷达的性能，而是它独特的安装地点——湖北随州大洪山风景区内的宝箧塔顶。网友们戏称其为“赛博佛寺”，让人联想到《三体》中的红岸基地。

实际上，将有源相控阵雷达技术应用于气象领域，是我国“军转民”技术应用的一个典范。例如，在北京大兴国际机场，C波段全数字有源相控阵天气雷达已经被广泛使用。这种雷达相比传统的机械扫描雷达，扫描速度更快，仅需1分钟就能完成一次11层体积扫描，而传统雷达则需要6分钟。此外，得益于有源相控阵的设计，这种雷达在地物杂波抑制、抗干扰能力和自动化探测方面都有显著提升。它能够更快速、更准确地探测到影响航空安全的危险天气，如雷雨、大风、下击暴流和风切变等，并能够详细分析这些危险天气的内部结构，为航空预报提供更为精确的探测数据。

在这则新闻中提到的雷达，是我国气象领域尖端技术的代表——X波段双偏振相控阵天气雷达。该雷达是2022年中国气象局武汉暴雨研究所在大洪山暴雨立体垂直观测基地的关键设备之一。大洪山位于江汉平原北部，其1000米的山体落差为垂直立体观测提供了得天独厚的条件，成为理想的天然平台和边界层垂直梯度自然观测平台。

气象专家指出，双偏振相控阵雷达在响应速度、数据更新频率、多目标追踪能力、空间分辨率、功能多样性以及抗干扰能力等方面，都显著优于传统的天气雷达。该雷达不仅能够监测天气过程的宏观变化，还能够详细获取降水粒子的形状、大小、相态分布、空间取向和降水类型等信息，这对于提高龙卷风、下击暴流等强对流天气的精准预警和预报服务具有重要意义。

那么，为什么曾经被视为高科技象征的有源相控阵雷达能够在我国得到广泛应用呢？这背后的原因可以从两个方面来分析：原材料的供应和技术水平的提升。

有源相控阵雷达的关键材料通常是砷化镓和氮化镓。回到本文开头的新闻，我国是全球最大的砷化镓和氮化镓出口国，并且在产量上遥遥领先于其他国家。中国能够在这些稀有材料的生产上占据领先地位，背后的原因是什么呢？

我国在全球镓市场中占据着举足轻重的地位，拥有全球68%的镓储量。镓作为一种稀有金属，其主要来源是电解铝的副产品。虽然电解铝技术并不复杂，但大规模生产却对电力系统提出了极高的要求。据统计，每生产一吨电解铝大约需要消耗13,500度电。根据国家统计局数据，2022年我国电解铝产量达到4,021.4万吨，据此估算，我国电解铝行业2022年的总耗电量超过了5,400亿度电。这一数字令人震惊，以2021年法国全国发电量5,472亿度电为例，我国电解铝行业的耗电量几乎与法国全国发电量持平。镓产量之所以能够遥遥领先，得益于我国庞大的铝产量和丰富的镓储量。

然而，产量巨大背后，还有一个关键因素被忽略了，那就是市场需求。一个行业的产能总是与市场需求相匹配。近年来，我国5G基站建设的加速、GaN功率器件在手机快充和新能源汽车快充中的应用，都为镓材料创造了巨大的市场需求。自2019年以来，随着我国代工企业的快速发展，氮化镓成本被大幅降低。

在雷达技术方面，我国的研究始于20世纪40年代末至50年代初，至今不过几十年历史。从南京“小红楼”的诞生地，我国的雷达技术已经发展壮大，遍布全国。这一技术从最初的不成熟，到如今的成熟强大，见证了我国科技实力的飞速进步。

在1949年5月，中国人民解放军接管了原国民党控制的雷达研究机构（被称为“小红楼”），这一事件成为我国雷达产业发展的重要里程碑。从1953年开始，我国建立了专门的雷达生产基地，并从模仿苏联雷达产品起步，逐渐自主研发了多种雷达系统，包括警戒雷达、炮位瞄准雷达、舰载雷达、机载雷达、指标仪、制导雷达以及末制导雷达等。

到了1960年代，随着中国与苏联关系恶化，苏联突然撤走了所有专家并撕毁了合同，我国因此提出了“以两弹为主，导弹优先，积极发展电子技术”的策略，这一方针为我国雷达事业的未来发展奠定了重要基础。我国雷达技术也开始进入快速发展阶段。到了1970年代，我国在雷达领域取得了一系列技术突破，掌握了单脉冲跟踪技术、脉冲压缩技术、多普勒技术、相控阵技术和成像技术等新技术，同时，我国自主研发的产品也开始在国际市场上获得认可并实现出口。

1990年代，海湾战争的爆发让美国展示了现代信息化战争的威力，其领导的多国联军以压倒性优势击败了伊拉克军队，这一事件让我国深刻认识到雷达在情报收集、指挥控制、作战管理以及效能评估等方面的重要作用，同时也意识到雷达技术面临的隐身技术、反辐射导弹、电子干扰和低空飞行器等挑战。因此，我国迅速启动了先进雷达技术的研究和论证工作。在众多雷达工作者的共同努力下，中国的雷达技术逐渐与世界的先进水平同步，并在某些领域取得了领先地位。

在过去七十年中，我国不懈地推进雷达技术的进步，现在已经达到了世界领先的水平。这一点，结合我国氮化镓原材料的低成本，可以解释为何有源相控阵雷达技术在我国得到了广泛应用。

虽然我国在雷达技术的军民融合方面取得了显著成效，但在氮化镓领域，我国仍面临一些挑战。尽管我国在原材料供应方面具有显著优势，甚至位居全球领先地位，并且国内有三安集成和海威华芯等企业具备氮化镓功率器件的量产能力，但在国际市场上，主要的氮化镓生产商仍然集中在欧洲国家和日本，我国企业还未进入主要的供应链第一梯队。

中国氮化嫁（GaN）代表企业及业务

根据《第三代半导体-氮化镓（GaN）技术洞察报告》，在全球氮化镓技术的竞争格局中，中国、美国和日本成为主要的市场竞争国家。美国和日本在20世纪70年代初就开始了相关技术的研究与开发，而中国虽然起步较晚，但发展迅速，展现出强大的竞争力。目前，日本在全球氮化镓技术领域占据主导地位。

在国际市场上，一些知名的氮化镓企业包括日本的住友、美国的Cree、德国的英飞凌、韩国的LG和三星等。中国也有一些代表性的企业，如晶元光电、三安光电、台积电和华灿光电等。然而，与国外企业相比，中国企业在专利申请数量上仍有待提高。

我国已经认识到这一挑战，并希望通过“十四五”规划将第三代半导体技术提升为国家战略层面的重要技术。第三代半导体技术被视为我国半导体产业实现跨越式发展的关键机遇。在未来，如果我国能够在氮化镓领域取得更大的突破，预计将有源相控阵雷达技术的应用将更加广泛，从而为我们的日常生活带来更多便利。