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国外机载氮化镓有源相控阵雷达最新进展

军事 sean 841℃ 0评论

2021年6月28日,美国《航空周刊》网站报道认为:当前,氮化镓(GaN)技术在战斗机雷达上的应用蓄势待发。氮化镓已是5G电子设备和大型搜索雷达当前的首选半导体,正处于过渡到战斗机火控雷达应用的潮头,有望使战斗机火控雷达实现自20世纪90年代末采用有源相控阵技术以来最大的一次性能飞跃。我中心将该报道要点编译如下,并结合我中心长期以来积累掌握的情况增加大量图片和图注,以反映氮化镓有源相控阵雷达近年来的一部分进展,供读者参考。

二十年前,从行波管到砷化镓(GaAs)芯片的技术转变,使有源相控阵雷达能够被封装到战斗机狭小的机头雷达罩中。今天,氮化镓又为下一代战斗机开辟了新的设计空间。氮化镓技术提供强大得多的功能,目前正接近规模化应用——先进的制造技术已提高了氮化镓半导体的耐用性并降低了成本,为新一代机载相控阵引入氮化镓单片微波集成电路芯片铺平了道路。近期,只要能满足换装氮化镓雷达的供电和冷却要求,若干型战斗机机载有源相控阵雷达的探测距离有机会提高一倍;远期,转向氮化镓为新一代作战飞机开辟了设计选择。与当前战斗机在机头处沿横截面方向安装雷达天线不同,氮化镓提供强大的功率附加效率(power-added efficiency)增长,可能允许在机头更前端安装更小的收发通道阵列,并在机体各处安装分布式、联网的多功能孔径。

39Dld

安装在瑞典800号JAS-39D战斗机试验机机头的氮化镓机载有源相控阵火控雷达,由数百个氮化镓收发通道组成的阵列全景。2020年4月28日,瑞典萨伯集团宣布,该公司已从4月8日开始,利用一架JAS-39D(序列号为800)双座型“鹰狮”战斗机试飞氮化镓机载有源相控阵雷达。当天的试飞在瑞典林雪平机场进行,持续了90分钟,机上的雷达成功地针对多个随遇空中目标和一系列地面目标进行了试验。目前,该雷达已完成包括对抗战斗机目标在内的一系列试飞。根据萨伯集团透露的消息,该阵列在一年多以前就开始了地面试验,并且与萨伯集团2018年9月下旬出口给“未公开的美国政府客户”的阵列基本相同。尽管萨伯集团未透露具体客户,但与此同时美国防部宣布向萨伯集团美国公司授予一份金额820万美元的合同,用于研究和开发“有源孔径阵列”,以供美海军研究办公室和美国防部长办公厅开展“外国比较测试计划”使用,合同授予方是美海军航空系统司令部。萨伯集团已利用另一个试验台对该阵列进行了飞行试验,以支持美国的计划并在2020年年初将该阵列交付给了客户(瑞典萨伯集团图片)

在法国、以色列、日本、韩国、瑞典、英国和美国的新型战斗机雷达设计方案中,氮化镓已是用于下一代作战飞机最有前景的半导体材料。但首型配装氮化镓火控雷达的战斗机将不会是美国的“下一代空中主宰”、英国的“暴风”、法国或德国的“未来作战航空系统”、日本的F-X、韩国的KF-21和瑞典的JAS-39E/F“鹰狮”,它将会是美海军陆战队老化的F/A-18A~D“大黄蜂”战斗机。该型机之所以仍在服役,是因为F-35B/C隐身战斗机的计划出现延误。

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英国BAE系统公司已有的六英寸氮化镓晶圆。2019年10月1日,该公司曾宣布正努力将美空军开发的短栅氮化镓半导体技术转化到生产上。该已成功完成第一阶段的工作,短栅氮化镓半导体技术转化到其先进微波产品(AMP)中心。具体来说,该项目将把140纳米氮化镓单片微波集成电路技术扩大到六英寸(约合15.24厘米)的晶片,并提高其制造成熟度水平,这是工艺验证的一部分,其中包括优化性能,确保工艺稳定性和最大化晶片晶圆均匀性和晶圆产量(英国BAE系统公司图片)

2021年4月下旬,美国雷神公司透露其在美海军陆战队的F/A-18C“大黄蜂”战斗机上换装了采用氮化镓半导体材料的AN/APG-79(V)4有源相控阵雷达。该公司称,为现役F/A-18A~D升级有源相控阵雷达的计划已进行了两年,该计划将是氮化镓在机载火控雷达中的首次应用。

79(V)4

2019年1月,雷神公司宣布其AN/APG-79(V)4有源相控阵雷达在竞争中击败美国诺格公司,获得美海军陆战队F/A-18雷达换装合同。在竞标过程中,雷神公司曾为美海军陆战队F/A-18C试验原位换装AN/APG-79(V)4,如上图所示。该雷达与F/A-18E/F配装的AN/APG-79有90%以上的通用性。下图为2021年4月,美国雷神技术公司为美海军陆战队的1架F/A-18C战斗机换装采用氮化镓技术的AN/APG-79(V)4有源相控阵雷达。两图对比可以发现,该雷达天线阵面的形状发生了变化,表明2019年前后安装的应当只是用于适配的模型。美海军陆战队目前已采购25部AN/APG-79(V)4,计划共采购112部,其中98部装机,分配给7个飞行中队,每个中队的12架飞机全部换装;14部备用(美国雷神技术公司图片)

雷神公司在制造氮化镓材料方面已有十多年经验,并已将该技术用于“爱国者”陆基防空反导系统的新型雷达和机载“下一代干扰机”的中波段吊舱。但AN/APG-79(V)4代表了氮化镓在战斗机主要射频传感器中的首次应用。按计划,雷神公司将在2021年12月前正式向美海军陆战队交付AN/APG-79(V)4有源相控阵雷达,供美海军陆战队升级改造其机队,后者已订购25部AN/APG-79(V)4。

MPQ-65

雷神公司早在2016年3月就展示了改用氮化镓技术的“爱国者”防空反导系统AN/MPQ-65雷达,如上图所示。截至2019年10月17日,该公司已为17个国家和地区制造了240部“爱国者”系统的雷达。在“爱国者”系统新一代“低层防空反导传感器”(LTAMDS)发展中,美陆军全面采用了快速采办。一是利用中间层级采办推行快速原型化,为此美陆军直接举办了解决方案原型样机外场演示验证竞赛活动,雷神、洛马和诺格团队均在2019年5月参加了该演示活动,随后雷神公司才在2019年7月提交了自己的标书。二是美陆军还利用“其他交易协议”(OTA)与雷神公司签订采购6套生产代表型系统的合同。雷神公司“低层防空反导传感器”首批6套生产代表型系统的单价高达6000万美元左右,但我们认为:这对于初期系统来说属于正常现象,随着生产规模扩大、工艺稳定成熟,后续生产型系统的单价将会大幅降低(美国雷神技术公司图片)

AN/APG-79(V)4是美海军F/A-18E/F“超级大黄蜂”战斗机配装的AN/APG-79有源相控阵雷达的缩小版本。雷达探测距离是孔径大小和发射功率的正相关函数,尽管AN/APG-79(V)4的阵列尺寸小于AN/APG-79,但由于应用效率比砷化镓高得多的氮化镓半导体,它将使F/A-18A~D获得与当前F/A-18E/F类似的雷达探测能力。

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