“白菜化”的有源相控阵雷达

就在几个月之前，一则消息被各大媒体平台报道：2023年7月3日，为维护国家安全和利益，中国相关部门发布公告，决定自8月1日起，对镓和锗两种关键金属实行出口管制。至此有不少不关注该领域的读者突然意识到，不知道从什么时候开始，我国的镓和锗已经悄悄成为了世界最大的出口国。

根据一份中国地质科学院矿产资源研究所2020年的一份报告显示，目前镓的世界总储量约 23 万吨，中国的镓金属储量居世界第一，约占世界总储量的 80%-85%，而我国的镓产量则是压倒性的占到了全球产量的90%到95%。而作为镓的化合物，砷化镓、氮化镓则是重要的制造相控阵雷达。不知道各位有没有注意到这几年之中，曾经“高大上”的有源相控阵雷达在中国渐渐变得“白菜化”了？这篇文章就让咱们一起来看一看“有源相控阵”雷达在我国民用领域的“白菜化”。

“有源相控阵”这个概念得分为两个部分来理解：一是“有源”；二是“相控阵”。

我们先来简单解释一下“相控阵”：所谓“相控阵”雷达就是“相位控制雷达”的简称，它是用天线扫描方式不同来区别出的一类雷达，与其相对应的是机械扫描雷达。顾名思义，相位控制就是通过控制电磁波的相位差，利用电磁波的干涉现象来控制电磁波的发射方向的一种技术。

而“有源”则是对应上一代相控阵雷达技术的“无源”：无源相控阵上是由一个统一的放大器来调节每个小单元上的信号强度。其劣势十分明显，因为统一由一个放大器装置控制，只要雷达有一部分遭到损坏，就有很大概率会让整个雷达停止工作，而且由于每个单元的信号强度都是统一分配的，其功能和信号的灵活程度，也受到了很大的影响。而有源相控阵则是像蜻蜓的复眼，由无数相互独立的收发单元组成，每个小单元拥有独立的放大器，这些一组组的雷达模块被称为T/R模块，每个T/R模块接收到的电磁波信号都是弱信号，T/R模块的天线根据自己的需要将电磁波信号放大到需要的程度。这样每个T/R模块都能独立完成任务，一个雷达就可以同时实现多种功能。

曾几何时，“有源相控阵”还是国内大众一听名字就觉得高大上的高科技产品（也确实是高科技），一度是欧美军舰上的高技术水平装备，就连世界最强大的美国海军也只在其主力舰艇“阿利·伯克”级导弹驱逐舰上部分装备有源相控阵雷达（AN/SPY-6(V)型 空中搜索雷达）。因此，有源相控阵一直是高价值、高技术的代名词。第一是技术很难掌握，即便是掌握了，也很难大范围普及。但是最近些年以来，关注国内军事信息的读者可能已经注意到，和欧美军舰“省吃俭用”装少量相控阵雷达不同，中国的军舰均大范围安装相控阵雷达。

而在民用领域，最早在网络上引起我国网友关注的则是2022年的一则消息：“我国农民采用有源相控阵雷达防治野猪侵扰”。

在2022年，野猪还是三级保护动物，但是随着我国自然环境的快速恢复，野猪的数量迅速增长，在局部地区已经泛滥成灾，给当地农民带来了极大的困扰。有些地区为了防止野猪的进犯，安排了大量人员巡逻驱赶，但时间长了人困马乏，人力成本很高，效果也很差。如果能有一款全自动驱赶野猪的设备，那就皆大欢喜了。

有需求就有市场，国内的相关厂商就做出了村民们需要的设备。这就是我们这边文章的主角——“有源相控阵雷达”。

这是由英飞睿推出的民用有源相控阵产品，其型号为S5000，采用Ku波段（12-18GHz频段）的脉冲多谱勒体制，本来的用途是用来识别、跟踪、锁定移动车辆、无人机、船只或行人等目标。技术人员把锁定人的参数改一改，S5000也能能锁定野猪。S5000仅有15公斤重，可以监控10公里内的100个目标。8Mbps的带宽即可满足传输需要，在通信条件薄弱的地区使用更方便；即插即用、一键启用，即使非专业人员也能快速掌握。

更加重要的是，英飞睿产品的TR组件、有源相控阵等核心部件均为自研，成本可控、供货可持续保障。独有的信号处理算法，能有效抑制杂波，在复杂的背景中识别目标。这对于我国一些偏远、人均收入相对不高农村地区可谓是野猪防治的“撒手锏”。

据悉，在实际的使用中，村民们先用雷达锁定目标，然后再派出大疆T50民用无人机进行驱赶，好巧不巧大疆T50也是标配了两面有源相控阵雷达阵列（其型号为：前相控阵数字雷达：RD241608RF；后相控阵数字雷达：RD241608RB）可以高效助力无人机进行地形识别比配、避障。从而实现对野猪的快速驱离。

我国民用有源相控阵雷达的又一次“出圈”，则是发生在2023年3月：湖北首部相控阵天气雷达完成吊装。

这一则短短的消息很快引发了网友的关注，最初倒不是对于雷达性能的讨论，而是其安装的位置，湖北随州大洪山风景区内宝箧塔顶。一时间，网友纷纷戏称“赛博佛寺”，像极了《三体》中的红岸基地。

其实，有源相控阵雷达用于天气领域是其最早的“军转民”领域之一。在北京大兴机场中的C波段全数字有源相控阵天气雷达就已经被充分运用，由于相较于传统机械雷达的高速扫描，常规天气雷达需要6分钟完成一次11层体积扫描，该雷达只需要1分钟就能完成。而又得益于其“有源”的设计，全面提高了地物杂波抑制能力、抗干扰能力与自动化探测能力，能更快、更准确发现雷雨、大风、下击暴流、风切变等影响航空安全的危险天气，并能更加精细化捕捉与分析危险天气的内部结构，为精准航空预报服务提供探测依据。

而这则新闻中出现的雷达，就是在气象领域中最先进的雷达之一——X波段双偏振相控阵天气雷达。该雷达是中国气象局武汉暴雨研究所于2022年新建的大洪山暴雨立体垂直观测基地关键设备之一。大洪山位于江汉平原北部，山体落差近1000米，是理想的垂直立体观测天然平台和边界层垂直梯度自然观测平台。

根据气象专家的介绍，双偏振相控阵雷达在反应速度、数据更新速率、多目标追踪能力、空间分辨率、多功能性和抗干扰能力等方面将优于传统天气雷达。该雷达不仅可以探测天气过程的宏观演变，还能获取降水粒子的形状、大小、相态分布、空间取向、降水类型等，有助于提高龙卷、下击暴流等强对流天气的精准气象预报预警服务。

为什么曾经高大上的有源相控阵雷达可以在我国遍地开花呢？这个问题可以从两个方面回答，第一是原材料、第二是技术水平。

有源相控阵的所使用的材料一般为砷化镓、氮化镓，让我们回到本篇开头的那则新闻：我国是世界上最大的镓出口国，而且镓产量以绝对的优势稳居世界第一。而中国的镓产量为什么能在世界之中一骑绝尘呢？

首先，我国的镓储量十分丰富，全世界68%的镓储量都在我国；其次，镓是电解铝的副产物，虽然电解铝并不是什么困难的技术，但是规模化的电解铝耗电巨大，难的是如何建立庞大的电力体系。据了解，每吨电解铝耗电量约为1.35万度电。而根据国家统计局的数据来看，我国电解铝（原铝）产量为4021.4万吨，简单计算一下，2022年我国电解铝行业耗电总量就超过5400亿度电，这是什么概念呢？2021年，法国的发电量也就只有5472亿度电，我国仅电解铝行业耗电就相当于法国2021年全国发电量。最后，总结来说，巨大的探明镓储量是基础，巨大的发电量是助力，从而早就了我国巨大的铝产量，进而实现镓的产量遥遥领先。

除了我国镓原料产量巨大这点，各位读者有没有意识到还少了些什么要点？没错，就是需求。一个健康的商业生产，其产能，必将对应其需求。提到市场需求，我国大力发展的5G基站，近几年GaN功率器件的手机快充，新能源汽车快充，都带来了巨大的市场需求。2019年以来，随着我国代工企业的集体爆发，我国企业把氮化镓的成本干到极低。

而谈到雷达技术，我国的相关研究起源于上世纪40年代末50年代初，距今不过短短几十年。我国的雷达从南京“小红楼”诞生，走向全国各地，从弱到强。

1949年5月，我军接管了国民党的雷达研究所（小红楼），标志着我国雷达工业的发展从此揭开了序幕。自1953年起，我国建立了雷达生产基地，从仿制苏联产品做起，先后推出了国产仿制的警戒雷达、炮瞄雷达、舰用雷达、机载雷达、指标仪、制导雷达和末制导雷达等等。

时间来到60年代，随着中苏交恶，苏联单方面撕毁合同，撤走全部专家，我国提出了“两弹为主，导弹第一，努力发展电子技术”的方针，为我国未来雷达事业的发展奠定了基础，我国雷达技术也进入了高速追赶时期，直到70年代，雷达新技术不断被突破，品种增多，单脉冲跟踪体制技术，脉冲压缩体制技术，多普勒体制技术，相控阵体制技术和成像体制技术开始逐渐被我国所掌握，同时，我国的自主生产的产品开始逐渐被国际社会所接受，开始对外出口。

90年代，随着海湾战争的爆发，美国为全世界“表演”了什么是真正的现代化信息战争，领导联盟军队摧枯拉朽式地战胜了不可一世的伊拉克军队之后，我国猛然意识到：雷达在情报侦察、指挥控制、作战管理效能评估等方面起到的不可替代的作用，同时也反映了雷达受到隐身技术、反辐射导弹、电子干扰、低空飞行器等方面的威胁。马上着手于先进雷达的研究论证，经过众多“雷达人”努力，中国雷达技术开始与世界先进水平接轨，并在发展为如今的局部领域处于领先地位。

回望这70年来，我国孜孜不倦地大力发展雷达技术，现在虽不能说遥遥领先，但也是拥有了世界一流的雷达技术，加之“白菜价”的氮化镓原材料，就不难理解为什么如今有源相控阵雷达已经在我国遍地开花了。

虽然说在雷达领域我国军民融合这条路走得十分优秀，但是就目前来看，我国在氮化镓领域还存在不小的问题：我国随在原料供应上有着不小的优势，甚至遥遥领先，我国国内也有像三安集成和海威华芯具有量产氮化镓功率器件的能力。但是，目前在国际市场上，主流氮化镓生产厂家依旧集中在欧洲国家及日本等，我国企业尚未进入供给端第一梯队。

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》显示：中国、美国和日本为氮化镓技术热点布局的市场。其中，美国和日本起步较早，于20世纪70年代初，而中国起步虽晚，但后起发力强劲。值得注意的是，目前全球的氮化镓技术主要来源于日本。氮化镓产业国外重点企业包括日本住友，美国Cree，德国英飞凌，韩国LG、三星等，中国企业代表有晶元光电、三安光电、台积电、华灿光电等。但目前中国企业和国外企业相比，专利申请数量仍有一定差距。

而我国也看到了这一点，国家希望通过“十四五”规划，把第三代半导体提升至战略高度，第三代半导体可能成为我国半导体产业发展的弯道超车机会。在未来如果我国能在氮化镓领域更进一步，想必未来有源相控阵雷达，可以运用的更加广泛，助力我们的日常生活。