相控陣?yán)走_(dá)及其優(yōu)勢(shì)

雷達(dá)技術(shù)是一種關(guān)鍵的電子技術(shù)，它通過發(fā)射和接收電磁波來探測(cè)和確定目標(biāo)的位置、速度和其他關(guān)鍵特性。在1935年9月，英國科學(xué)家R·A·沃森·瓦特成功研發(fā)了第一臺(tái)脈沖雷達(dá)，該雷達(dá)能夠以12兆赫的頻率工作，探測(cè)距離達(dá)到64公里。隨著第二次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)，雷達(dá)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，其應(yīng)用范圍也從最初的對(duì)空警戒擴(kuò)展到了引導(dǎo)、截?fù)簟⒒鹂亍⑥Z炸瞄準(zhǔn)和導(dǎo)航等多個(gè)領(lǐng)域。

雷達(dá)的工作頻率會(huì)根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景而有所不同。目前，X-Band以下的頻率是最常用的，其中L-Band主要用于導(dǎo)彈預(yù)警，S-Band是艦載警戒雷達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)頻率，C-Band則被廣泛應(yīng)用于氣象監(jiān)測(cè)雷達(dá)，而X-Band則主要被機(jī)載雷達(dá)所使用。

相控陣?yán)走_(dá)是一種由眾多相同的輻射單元組成的雷達(dá)面陣，它能夠快速切換波束，具備強(qiáng)大的抗干擾能力，并且能夠同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)，因此它具有多功能和高可靠性的特點(diǎn)，正在逐步取代傳統(tǒng)的機(jī)械掃描雷達(dá)，成為現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的主流。相控陣?yán)走_(dá)可以根據(jù)天線類型的不同分為無源相控陣?yán)走_(dá)和有源相控陣?yán)走_(dá)。無源相控陣?yán)走_(dá)只有一個(gè)中央發(fā)射機(jī)和一個(gè)接收機(jī)，它通過計(jì)算機(jī)控制將高頻能量分配給天線陣的各個(gè)單元，而目標(biāo)反射信號(hào)也是通過這些單元統(tǒng)一接收和放大。相比之下，有源相控陣?yán)走_(dá)的每個(gè)天線單元都配備了獨(dú)立的發(fā)射/接收組件（TR組件），這意味著每個(gè)單元都能夠獨(dú)立發(fā)射和接收電磁波，因此在頻寬、功率、效率和冗余設(shè)計(jì)方面，有源相控陣?yán)走_(dá)相比無源相控陣?yán)走_(dá)有著顯著的優(yōu)勢(shì)。

航空、海軍和陸軍領(lǐng)域，相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用

在航空、海軍和陸軍領(lǐng)域，相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，成為雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵趨勢(shì)。這種雷達(dá)以其快速掃描能力、強(qiáng)大的抗干擾性能和高度可靠性而著稱。

在地面警戒雷達(dá)系統(tǒng)中，美國的AN/FPS-108、AN/FPS-123和AN/FPS-132等遠(yuǎn)程警戒雷達(dá)系統(tǒng)，以及AN/TPS-59、AN/TPS-63、AN/TPS-73和AN/TPS-80等可運(yùn)輸式警戒雷達(dá)系統(tǒng)，都是地面警戒雷達(dá)領(lǐng)域的代表。這些雷達(dá)系統(tǒng)正朝著多功能化方向發(fā)展，例如諾·格公司的AN/TPS-80地空多任務(wù)雷達(dá)，采用有源相控陣技術(shù)，能夠應(yīng)對(duì)多種威脅，包括固定翼飛機(jī)、直升機(jī)、巡航導(dǎo)彈、無人機(jī)系統(tǒng)，以及火箭炮、火炮和迫擊炮等。該雷達(dá)采用了最新的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字化波束形成技術(shù)，能夠執(zhí)行多種任務(wù)，并將多個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的空中監(jiān)視、防空和反火力目標(biāo)獲取能力整合到一個(gè)系統(tǒng)中，大大降低了運(yùn)維成本并簡(jiǎn)化了訓(xùn)練過程。

此外，新一代的AN/TPS-80雷達(dá)采用了先進(jìn)的大功率、高效的氮化鎵天線技術(shù)。諾·格公司在2018年向美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)交付了首部采用GaN天線的AN/TPS-80地空多任務(wù)雷達(dá)。

在國內(nèi)防御領(lǐng)域，多款先進(jìn)的警戒雷達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)采納了相控陣技術(shù)。其中，YLC-8B機(jī)動(dòng)式預(yù)警相控陣?yán)走_(dá)是我國自主研發(fā)的先進(jìn)防空預(yù)警系統(tǒng)，代表著我國第四代雷達(dá)技術(shù)。該雷達(dá)系統(tǒng)在反隱身能力方面表現(xiàn)出色，被視為反隱雷達(dá)的領(lǐng)軍產(chǎn)品。它能夠有效探測(cè)多種類型的目標(biāo)，并具備遠(yuǎn)距離探測(cè)、高分辨率、強(qiáng)抗干擾等特性，其性能指標(biāo)在國際同類產(chǎn)品中處于領(lǐng)先地位。YLC-8B雷達(dá)系統(tǒng)能夠?yàn)樽鲬?zhàn)指揮、攔截武器系統(tǒng)以及空軍部隊(duì)提供全面的情報(bào)支持，并具備出色的情報(bào)綜合和獨(dú)立引導(dǎo)能力。

在美國海軍的艦載雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，AN/SPY-2是一種先進(jìn)的固態(tài)多功能有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)，它被設(shè)計(jì)成為下一代主要的艦載雷達(dá)系統(tǒng)。這種雷達(dá)系統(tǒng)以其大的功率孔徑和高的分辨率而著稱，能夠執(zhí)行AN/SPY-1雷達(dá)的全部任務(wù)，并且具備在更遠(yuǎn)的距離上探測(cè)和識(shí)別來襲的彈道導(dǎo)彈目標(biāo)的能力。

美國海軍正在開發(fā)一種名為“防空反導(dǎo)雷達(dá)”(AMDR)的新型雙波段固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)，這種雷達(dá)由洛克希德·馬丁公司、諾斯羅普·格魯曼公司和雷聲公司共同研發(fā)。AMDR計(jì)劃被裝備到第三代“阿利·伯克”級(jí)(DDG-51)驅(qū)逐艦中。這種雷達(dá)系統(tǒng)具備檢測(cè)和跟蹤多種威脅的能力，包括彈道導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)以及超聲速和掠海飛行的反艦導(dǎo)彈。

在航空領(lǐng)域，美國的機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)正在經(jīng)歷從傳統(tǒng)機(jī)械掃描向有源相控陣技術(shù)的過渡。這一轉(zhuǎn)變體現(xiàn)在各種戰(zhàn)斗機(jī)型上，無論是先進(jìn)的第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-22 Raptor還是F-35 Lightning II，還是第三代戰(zhàn)斗機(jī)如F-15 Eagle、F-16 Fighting Falcon和F-18 Hornet，都已經(jīng)開始采用有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)，顯著提升了它們的探測(cè)能力。

傳統(tǒng)的三代機(jī)裝備的多模脈沖密度雷達(dá)（PD雷達(dá)）受到體積、重量、散熱能力和耐高壓能力的限制，其平均功率通常只有幾百瓦。例如，APG-68雷達(dá)就是這種限制的典型代表。然而，隨著技術(shù)的進(jìn)步，許多三代機(jī)雷達(dá)已經(jīng)通過硬件升級(jí)轉(zhuǎn)變?yōu)橛性聪嗫仃嚴(yán)走_(dá)。這種體制上的升級(jí)使得三代機(jī)雷達(dá)的功率孔徑積（PAPR）得以線性增長(zhǎng)，從而推遠(yuǎn)了探測(cè)距離，有效地與四代機(jī)相抗衡。

具體來說，美國的F-15、F-16和F-18戰(zhàn)斗機(jī)分別升級(jí)到了相控陣?yán)走_(dá)AN/APG-82、AN/APG-83和AN/APG-79/79(V)。以AN/APG-79為例，它的TR組件數(shù)量大約有1000個(gè)，內(nèi)部噪聲降低了大約4dB，而且雙向傳輸損耗比機(jī)械掃描雷達(dá)低了5dB以上。因此，AN/APG-79的探測(cè)距離通常是該機(jī)型之前裝備的機(jī)械掃描雷達(dá)的1.5倍，并能執(zhí)行空空、空地、空海和導(dǎo)航等多種作戰(zhàn)功能。

與三代半戰(zhàn)機(jī)的雷達(dá)相比，四代機(jī)的雷達(dá)通常擁有更多的TR組件（超過1500個(gè)），以及更大的功率孔徑積。這使得四代機(jī)雷達(dá)的探測(cè)距離增加了超過50%。例如，F(xiàn)-18E/F的APG-79雷達(dá)能夠?qū)Ζ?1m2的目標(biāo)探測(cè)距離達(dá)到110km，而F-22A的APG-77雷達(dá)對(duì)同等尺寸目標(biāo)的探測(cè)距離可達(dá)180km。

彈載相控陣正在走向成熟

隨著技術(shù)的進(jìn)步，彈載相控陣系統(tǒng)正在逐漸成熟，并成為精確制導(dǎo)武器領(lǐng)域的一個(gè)重要趨勢(shì)。作為精確制導(dǎo)武器的核心組件，導(dǎo)引頭扮演著“眼睛”的角色，它能夠?qū)?dǎo)彈與目標(biāo)緊密地聯(lián)系起來，并提供它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)信息。導(dǎo)引頭的性能直接影響著精確制導(dǎo)武器的發(fā)展方向，同時(shí)也是整個(gè)武器系統(tǒng)中價(jià)值量最高的部分。根據(jù)《防空導(dǎo)彈成本與防空導(dǎo)彈武器裝備建設(shè)》的研究，導(dǎo)引頭和動(dòng)力裝置的成本占據(jù)了導(dǎo)彈總成本的40%至60%。

導(dǎo)引頭根據(jù)使用的探測(cè)系統(tǒng)不同，主要分為光學(xué)制導(dǎo)和雷達(dá)制導(dǎo)兩種類型。雷達(dá)導(dǎo)引頭的技術(shù)不斷演進(jìn)，而有源相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭因其高靈敏度、強(qiáng)大的信號(hào)處理能力和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，預(yù)計(jì)將逐漸成為彈載武器的一個(gè)關(guān)鍵增強(qiáng)器。據(jù)公開資料透露，美國正在開發(fā)一種新型遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈AIM-260，并且有報(bào)道稱這種導(dǎo)彈將配備先進(jìn)的有源相控陣制導(dǎo)系統(tǒng)。目前，尚無其他國外先進(jìn)的制導(dǎo)武器被報(bào)道配備有源相控陣制導(dǎo)系統(tǒng)。在這方面，我國在有源相控陣微系統(tǒng)在彈載領(lǐng)域的應(yīng)用上具有一定的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

相控陣天線占相控陣?yán)走_(dá)成本的一半以上

有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)由眾多輻射器組成，這些輻射器按照特定的布局排列，每個(gè)輻射器的后端都連接到一個(gè)獨(dú)立的active phased array TR組件。在波束形成器的控制下，對(duì)這些信號(hào)的幅度和相位進(jìn)行精確的加權(quán)處理，從而實(shí)現(xiàn)波束在空間中的精確掃描。因此，有源相控陣TR組件的性能參數(shù)直接影響著相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的工作距離、空間分辨率和接收靈敏度等關(guān)鍵性能指標(biāo)。

此外，有源相控陣?yán)走_(dá)需要大量的TR組件共同構(gòu)成有源相控陣陣面，因此，這些TR組件的性能也進(jìn)一步?jīng)Q定了有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的體積、重量、成本和功耗。根據(jù)國博電子的招股書，有源相控陣?yán)走_(dá)的成本較高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，有源相控陣?yán)走_(dá)天線系統(tǒng)的成本占雷達(dá)總成本的70%-80%，而TR組件占據(jù)了有源相控陣?yán)走_(dá)天線成本的大部分。根據(jù)雷電微力的招股說明書，有源相控陣?yán)走_(dá)中天線微系統(tǒng)的成本占比超過50%。總的來說，相控陣天線成本占相控陣?yán)走_(dá)整機(jī)成本的一半以上。

有源相控陣天線的核心構(gòu)成部分是安裝在每一個(gè)天線單元中的TR組件，這些TR組件充當(dāng)了雷達(dá)的發(fā)射和接收前端。隨著先進(jìn)工藝的應(yīng)用，TR組件的大規(guī)模生產(chǎn)和成本不斷下降，這為有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的進(jìn)步提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。

針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境和性能需求，有源相控陣TR組件的具體結(jié)構(gòu)可能會(huì)有所不同，但它們的基本結(jié)構(gòu)是相似的，包括數(shù)控移相器、數(shù)控衰減器、功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）、限幅器、環(huán)形器等，以及相應(yīng)的控制電路和電源調(diào)制電路。

TR組件

根據(jù)國博電子的招股說明書，2019至2021年間，國博電子的TR組件和射頻模塊業(yè)務(wù)總營(yíng)收達(dá)到了51.40億元。在銷售價(jià)格構(gòu)成中，直接材料占據(jù)了51.21%，達(dá)到了26.32億元；直接人工占比為4.51%，總額為2.32億元；制造費(fèi)用占比為10.68%，總額為5.49億元。在這三年間，公司的TR組件和射頻組件整體毛利率為33.29%。

在分析公司2019至2021年的采購數(shù)據(jù)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)公司總共采購了價(jià)值30.59億元的產(chǎn)品。在這些采購產(chǎn)品中，芯片的金額占據(jù)了最大比例，高達(dá)17.35億元，占總采購價(jià)值的56.72%；緊隨其后的是電子元件，占比為13.01%；結(jié)構(gòu)件和連接器的占比分別為10.40%和3.04%。

如果我們假設(shè)公司直接材料中各產(chǎn)品的比例與過去三年的采購產(chǎn)品價(jià)值占比相同，那么國博電子的TR組件及射頻模塊的芯片成本占到了其銷售收入的29.05%，而其他原材料，包括電子元件、結(jié)構(gòu)件和連接器等，總共占據(jù)了22.16%的比例。制造費(fèi)用和直接人工的成本占比為15.19%，而毛利占比則達(dá)到了33.29%。

隨著有源相控陣技術(shù)在無線通信、探測(cè)制導(dǎo)等領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，無線電子信息系統(tǒng)的功能變得越來越復(fù)雜，對(duì)單位載荷的功能密度需求也在顯著提升。因此，多功能、多模式、高密度集成化已經(jīng)成為新一代先進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。這一趨勢(shì)預(yù)計(jì)將大幅增加對(duì)小型化和輕量化TR組件的需求。同時(shí)，微波毫米波異構(gòu)集成、三維堆疊、封裝型天線和片上天線等新型高密度集成技術(shù)的應(yīng)用，也將進(jìn)一步推動(dòng)有源相控陣技術(shù)的發(fā)展。

TR 組件的生產(chǎn)及其難點(diǎn)

相較于一般電子產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，微波組件的制造過程更為復(fù)雜且多樣化，通常需要數(shù)十種不同的工藝步驟才能完成一個(gè)微波組件的制造。

以國博電子為例，在裝配工藝方面，公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了接頭、基板、管殼等部件的定制設(shè)備流水線自動(dòng)化裝配，其裝配精度達(dá)到了0.05mm以內(nèi)；在釬焊工藝方面，國博電子能夠在120℃至350℃的溫度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)多合金系統(tǒng)、多溫度梯度（超過5段）的釬焊工藝；在貼裝工藝方面，公司能夠進(jìn)行高精度元器件的混合自動(dòng)化貼裝，以及異形器件的貼裝工藝；在微組裝工藝方面，國博電子掌握了高精度芯片粘接和引線鍵合工藝，能夠進(jìn)行窄間距多芯片的貼裝、近壁-深腔-短距鍵合工藝；在封裝方面，公司擁有多種封裝工藝技術(shù)，包括射頻微波組件的氣密封裝能力，其密封等級(jí)達(dá)到了10^-9 Pa·m^3/s；在檢測(cè)方面，國博電子具備了微米級(jí)的高精度檢測(cè)分析能力。生產(chǎn)TR組件所需的生產(chǎn)設(shè)備包括貼片機(jī)、網(wǎng)絡(luò)分析儀、鍵合機(jī)等。截至2021年底，國博電子的機(jī)器設(shè)備原值為5.14億元，其中貼片機(jī)占1.07億元，網(wǎng)絡(luò)分析儀占1.02億元，鍵合機(jī)占0.58億元。

以雷電微力為例，在生產(chǎn)自動(dòng)化方面，公司的生產(chǎn)部門自2015年以來，逐步引入了全自動(dòng)貼片機(jī)、全自動(dòng)金絲鍵合機(jī)、自動(dòng)水清洗設(shè)備、等離子清洗機(jī)等自動(dòng)化設(shè)備。2015年之前，公司的金絲鍵合機(jī)全部為手動(dòng)操作，但從2015年開始，公司引入了超過10臺(tái)全自動(dòng)金絲鍵合機(jī)，使得相關(guān)工序的產(chǎn)能提升了50倍以上。截至2021年底，雷電微力的機(jī)器設(shè)備原值為0.69億元。

 TR 組件產(chǎn)業(yè)鏈

在TR組件的產(chǎn)業(yè)鏈中，上游環(huán)節(jié)主要涉及芯片、結(jié)構(gòu)件、元器件等基礎(chǔ)材料的生產(chǎn)；中游則是TR組件的制造以及相控陣天線的集成與測(cè)試；下游則涵蓋了雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的整機(jī)制造。

TR組件的關(guān)鍵套片是其核心原材料，包括功率放大器、低噪聲放大器、射頻開關(guān)、幅相控制器等。在這些套片中，功率放大器的價(jià)值占比最高。TR組件制造商可以選擇外購套片，也可以進(jìn)行自主研發(fā)。通常，TR組件的設(shè)計(jì)廠商需要制定芯片的性能指標(biāo)，并可以自行設(shè)計(jì)芯片，或者委托其他公司進(jìn)行設(shè)計(jì)，或者直接購買現(xiàn)成的芯片。

TR 組件產(chǎn)業(yè)模式

在產(chǎn)業(yè)模式方面，TR組件的市場(chǎng)主要分為兩種：一種是整機(jī)單位內(nèi)部配套模式，另一種是對(duì)外采購模式。一些整機(jī)廠商由于有源相控陣TR組件的需求，并且自身技術(shù)體系較為成熟，建立了TR組件的生產(chǎn)研制平臺(tái)，以滿足內(nèi)部科研和定制化生產(chǎn)的需求。然而，由于這種內(nèi)部配套模式主要服務(wù)于整機(jī)廠商的內(nèi)部定制化需求，因此在成本控制上并不具備優(yōu)勢(shì)，而且采用這種模式的整機(jī)廠商相對(duì)較少。另一種模式是，部分廠商專注于整機(jī)的研發(fā)，基于專業(yè)化分工的考慮，選擇外購專業(yè)公司的TR組件產(chǎn)品。這種外購模式有助于實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)，提升TR組件行業(yè)的技術(shù)和工藝水平。

在國內(nèi)，大型雷達(dá)研究所如電科14所、電科38所、航天二院23所等都擁有自己的TR組件生產(chǎn)線。在彈載和機(jī)載雷達(dá)領(lǐng)域，由于相控陣技術(shù)的應(yīng)用相對(duì)較晚，一些彈載和機(jī)載雷達(dá)總體單位目前主要依賴外購TR組件。