眾所周知，雷達(dá)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)和瞄準(zhǔn)攻擊的不可或缺的最主要手段。在二戰(zhàn)中發(fā)揮了重要作用。戰(zhàn)后，雷達(dá)界的專家總結(jié)了涉及雷達(dá)技術(shù)的幾乎全部?jī)?nèi)容，出版了有28分冊(cè)的“雷達(dá)手冊(cè)”，雷達(dá)界也有相當(dāng)一部人認(rèn)為“雷達(dá)已經(jīng)達(dá)到了非常成熟的階段。”然而，近二十多年來(lái)世界上發(fā)生多次局部高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)，使我們更清楚地認(rèn)識(shí)到：雷達(dá)觀察的目標(biāo)發(fā)生了重大變化，雷達(dá)工作的電磁環(huán)境嚴(yán)重惡化，并對(duì)雷達(dá)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響。隨著微波、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，也使雷達(dá)技術(shù)發(fā)生了革命性躍進(jìn)。

一、使用環(huán)境的新挑戰(zhàn)

在過(guò)去的幾次局部高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)等西方國(guó)家在一開(kāi)始就使用了大量的超低空飛行的巡航導(dǎo)彈和雷達(dá)截面積很小的隱形飛機(jī)，給對(duì)方的防空設(shè)施進(jìn)行精確打擊和幾乎徹底的摧毀。超低空飛行的巡航導(dǎo)彈雷達(dá)截面積RCS小，地面雷達(dá)因?yàn)橛杏^察死角很難遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)并及早預(yù)警；又因?yàn)橛泻軓?qiáng)的地面雜波背景和相對(duì)地面車輛高得多的飛行速度，使得空中老式靠機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)掃描的雷達(dá)也很難發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行有效的跟蹤預(yù)警。

表1、各國(guó)三四代戰(zhàn)機(jī)雷達(dá)截面積RCS比較

圖1、美F-22四代機(jī)（可在400km發(fā)現(xiàn)像F-16的目標(biāo)）

圖2、去年首飛成功的美艦載隱形無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)X-47B

美國(guó)的第四代空中優(yōu)勢(shì)F-22猛禽戰(zhàn)斗機(jī)，是根據(jù)美國(guó)空軍“全球到達(dá)，全球力量”的戰(zhàn)略思想設(shè)計(jì)的，要求它能在未來(lái)空空、空地戰(zhàn)場(chǎng)威脅環(huán)境中奪取空中優(yōu)勢(shì)，確保美軍能同時(shí)打贏兩場(chǎng)大規(guī)模局部戰(zhàn)爭(zhēng)。美國(guó)空軍希望憑借少量的先進(jìn)的F-22抗擊大量技術(shù)相對(duì)落后的敵機(jī)，取得制空權(quán)。美國(guó)稱其為制空（Air Dominance）戰(zhàn)機(jī)。F-22的正面雷達(dá)反射截面積僅為0.0065平方米，比一般的像F-15C/Su27第三代戰(zhàn)斗機(jī)的正面雷達(dá)反射截面積小1000倍，生存能力比目前的常規(guī)飛機(jī)提高18倍，作戰(zhàn)效能是F-15戰(zhàn)斗機(jī)的3倍。2011年2月美國(guó)的隱形艦載無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)X-47B首飛成功，它能在空中持續(xù)飛行30個(gè)小時(shí)，作戰(zhàn)半徑超過(guò)一千公里。

根據(jù)英國(guó)的計(jì)算機(jī)仿真和美國(guó)的實(shí)戰(zhàn)對(duì)抗演習(xí)，F(xiàn) -22可以在400km之外發(fā)現(xiàn)像Su27這樣的三代機(jī)，在對(duì)方毫不知情的情況下發(fā)起“首先發(fā)現(xiàn)，首先射殺”的超視距攻擊。這些低截獲概率LPI隱形目標(biāo)的出現(xiàn)也給雷達(dá)提出了極大的挑戰(zhàn)。

表2、F/A-22與第三代戰(zhàn)機(jī)對(duì)抗仿真及實(shí)戰(zhàn)演習(xí)結(jié)果

除了雷達(dá)截面積很小截獲概率很低的隱形目標(biāo)外，雷達(dá)的使用環(huán)境嚴(yán)重惡化，戰(zhàn)場(chǎng)上會(huì)遇到很強(qiáng)的電磁干擾。特別是去年的利比亞戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)派出了它們最先進(jìn)的 “咆哮者”電子戰(zhàn)攻擊機(jī)EA-18G，它大顯身手，實(shí)施了強(qiáng)大的有針對(duì)性的全頻譜干擾，讓利比亞的雷達(dá)全部成了瞎子，雷達(dá)、電子設(shè)備全部失靈，地面導(dǎo)彈毫無(wú)還手之力，成為名副其實(shí)的靶子！

圖3、美國(guó)新研發(fā)并投入現(xiàn)役、裝有能精確瞄準(zhǔn)定位全頻譜干擾的EA-18G“咆哮者”電子戰(zhàn)飛機(jī)

新的超低空高速飛行帶有強(qiáng)地雜波背景的巡航導(dǎo)彈和雷達(dá)截面積很小的低截獲概率LPI的隱形目標(biāo)，以及日益惡化的強(qiáng)電子干擾的作戰(zhàn)環(huán)境，使老式的機(jī)械掃描MSA雷達(dá)無(wú)法滿足這些作戰(zhàn)使用要求，并將在不久的將來(lái)逐步退出歷史舞臺(tái)。

二、未來(lái)雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)——有源電掃相控陣AESA雷達(dá)

從上面的雷達(dá)要探測(cè)的目標(biāo)和作戰(zhàn)環(huán)境的變化來(lái)看，要求未來(lái)的雷達(dá)必須具有很強(qiáng)的電子對(duì)抗能力，在惡劣的電磁干擾環(huán)境仍然能正常工作（圖4）；對(duì)于機(jī)載雷達(dá)要求對(duì)空和對(duì)地都能工作，并能在大空域搜索的同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行有效跟蹤；要求雷達(dá)能多任務(wù)、多功能（合成孔徑成像SAR, 逆合成孔徑成型ISAR, 地面動(dòng)目標(biāo)GMTI, 空中動(dòng)目標(biāo)AMTI, 高分辨率，低截獲LPI目標(biāo)探測(cè)，火控，敵我識(shí)別，電子對(duì)抗支持等）（圖5）。老式機(jī)械掃描MSA雷達(dá)很難滿足這些苛刻的使用要求，并將不久的將來(lái)逐步被邊緣化。

圖4、有源相控陣AESA天線的自適應(yīng)波束置零的功能可以有效對(duì)抗人為的干擾。并且已經(jīng)由英法德三國(guó)的AMSAR AESA樣機(jī)得到了驗(yàn)證。

圖5、新一代的全球鷹能對(duì)空對(duì)地同時(shí)工作；搜索的同時(shí)跟蹤多目標(biāo)；多功能：SAR/ISAR/GMTI/AMTI;高分辨率；支持電子對(duì)抗和敵我識(shí)別等。

美國(guó)雷神公司最早裝備F-15C的APG-79有源電掃相控陣AESA雷達(dá)已經(jīng)工作了5年多超過(guò)15,000小時(shí)仍然沒(méi)有出現(xiàn)故障；該公司聲稱在10~20年內(nèi)基本上不需要維修。著名的生產(chǎn)F-22相控陣?yán)走_(dá)APG-77的若斯洛普-格魯曼航電開(kāi)發(fā)部主任也說(shuō)：“APG-77的雷達(dá)天線罩可以密封起來(lái)！”這些已經(jīng)投入使用的AESA雷達(dá)實(shí)際運(yùn)行也充分證明了AESA的高可靠性能。而相比之下，老式的機(jī)械掃描雷達(dá)MSA和集中發(fā)射的無(wú)源相控陣ESA雷達(dá)也因高壓密封充氣饋電、平臺(tái)機(jī)械掃描轉(zhuǎn)動(dòng)的磨損等故障多發(fā)因素，平均無(wú)故障時(shí)間MTBF只有60~300小時(shí)。實(shí)踐已經(jīng)證明AESA與老式的MSA和ESA相比，可靠性具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

老式的無(wú)源相控陣ESA的移相調(diào)整發(fā)射時(shí)是在高功率電平移相衰減后在發(fā)射出去，除影響雷達(dá)的探測(cè)距離外，移相器產(chǎn)生的熱量的散熱設(shè)計(jì)也成了一個(gè)大問(wèn)題；在接收時(shí)，微弱的回波信號(hào)是首先經(jīng)過(guò)移相衰減，使得雷達(dá)接收機(jī)的靈敏度大大降低，對(duì)雷達(dá)的性能產(chǎn)生不利影響。而有源電掃相控陣AESA的移相調(diào)整在發(fā)射時(shí)是在低功率電平移相，然后在經(jīng)過(guò)功率放大后直接發(fā)射出去，對(duì)雷達(dá)的性能影響不大；接收時(shí)，微弱的回波信號(hào)是首先進(jìn)入低噪聲放大器進(jìn)行放大后，才由移相器移相，對(duì)接收機(jī)的靈敏度幾乎沒(méi)有什么影響（圖6）。所以從雷達(dá)系統(tǒng)能量的運(yùn)用上AESA也具有它固有的優(yōu)勢(shì)。

圖6、AESA與ESA比較

綜上所述，就AESA來(lái)說(shuō)，無(wú)論從理論上還是實(shí)踐上，美國(guó)防部2001年3月的專家組報(bào)告得出的結(jié)論是：“經(jīng)過(guò)上世紀(jì)九十年代美國(guó)防部DARPA項(xiàng)目的支持，X波段有源電掃相控陣AESA的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟了。AESA能使雷達(dá)的基本能力提高10~30倍，并有高的距離分辨率、抗干擾能力和波束捷變靈活的極大好處。新的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了制造，并支持高可靠和低維護(hù)成本的目標(biāo)，這樣就使服務(wù)期的費(fèi)用更低。美國(guó)防部專家任務(wù)組極其深刻地感受到這些進(jìn)步，得出結(jié)論：未來(lái)美國(guó)不可能再采購(gòu)任何不采用有源電掃相控陣技術(shù)AESA的機(jī)載（甚至地面、艦船）雷達(dá)系統(tǒng)。”法德意大利等國(guó)的雷達(dá)界也認(rèn)為下一代的陸地、艦船、空中和空間的雷達(dá)幾乎全部是有源相控陣AESA雷達(dá)系統(tǒng)；這已成了國(guó)際上雷達(dá)界的共識(shí)。

三、有源電掃相控陣AESA雷達(dá)的關(guān)鍵——T/R組件

有源相控陣AESA雷達(dá)是下一代先進(jìn)的多功能雷達(dá)的必然發(fā)展趨勢(shì)已成為世界上雷達(dá)界的一致看法。在半導(dǎo)體、微波單片集成電路MMIC、專用集成電路ASIC、新材料、三維立體集成和包裝技術(shù)迅速發(fā)展的推動(dòng)下，AESA經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，在重量和體積大大減小的同時(shí)，性能得到了顯著提高，成本也在不斷下降，為有源相控陣AESA的在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了條件，AESA的前景光輝燦爛。

有源相控陣AESA雷達(dá)使用大量的T/R組件；像美國(guó)的F-15戰(zhàn)斗機(jī)的APG-79就需要1500個(gè)T/R組件；F-22的APG-77需要1500~1800個(gè)T/R組件；全球鷹RQ-4每部需要2000個(gè)T/R組件；E-10A每部就需要高達(dá)13500個(gè)T/R組件；更有甚者，像美國(guó)的平流層飛艇ISIS的最終系統(tǒng)OS的X波段雷達(dá)就有20,300,000個(gè)T/R通道。因此，T/R組件及其相應(yīng)的MMIC核心元件就成了有源相控陣AESA雷達(dá)的關(guān)鍵，常常受到出口限制，所以各國(guó)的相關(guān)公司都投入了大量的人力物力，獨(dú)立研發(fā)自己的T/R組件。T/R組件的性能、重量、尺寸和成本就成了整個(gè)AESA系統(tǒng)的重要考慮因素。

有源相控陣AESA經(jīng)歷了從分離元件的磚塊式T/R組件；到體積小薄而輕集成度剛高的瓦片式T/R組件。由每個(gè)T/R通道要用7~11個(gè)（移相器，衰減器，放大器，開(kāi)關(guān)，控制電路和供電電源）MMIC芯片；到只用2~3個(gè)MMIC芯片；其中的多功能核心（Multifunction, or core chip）芯片更是把移相器，衰減器，放大器，預(yù)功放推動(dòng)級(jí)，開(kāi)關(guān)和控制電路等都集成在一個(gè)只有大約4 ？4~5mm2芯片上。用標(biāo)準(zhǔn)的Si工藝和最便宜的Si做襯底，同時(shí)把微波/射頻模擬電路的SiGe BiCMOS和控制開(kāi)關(guān)的數(shù)字電路的Si CMOS混合集成到單一芯片上，使得現(xiàn)在整個(gè)T/R組件，不但使電路芯片的面積減少，還節(jié)省了采用多個(gè)MMIC芯片時(shí)的大量手工微組裝操作，從而使總的成本大大降低。

圖7、T/R組件從最初的“磚塊式”到“瓦片式”的進(jìn)展

圖8、德國(guó)EADS的瓦片式T/R組件：頂層③包括LNA，限幅器和環(huán)形器，以及貼片式天線(LTCC)；中間層②包括移相器、衰減器、放大器、開(kāi)關(guān)、數(shù)字控制ASIC電路等(LTCC);底層①是末級(jí)功率放大器(HTCC)。尺寸：15mm？15mm？8mm,重<4g, Po=4W, NF=3.5dB

標(biāo)準(zhǔn)的Si IC工藝能把RF/微波模擬電路的SiGe BiCMOS和數(shù)字控制電路的Si CMOS集成在單個(gè)芯片上，并做出適合于低功率密度應(yīng)用的單片雷達(dá)（Radar on chip）。雖然SiGe的輸出功率和噪聲性能不如GaAs和寬禁帶半導(dǎo)體GaN, SiC, 它的成本優(yōu)勢(shì)明顯，可以低成本高成品率的大批量生產(chǎn)，同時(shí)，又與未來(lái)的數(shù)字化雷達(dá)所需要的高速ADC和DAC，以及高速FPGA工藝相匹配，所以SiGeBiCMOS和Si CMOS將會(huì)成為未來(lái)AESA的后端的重要選項(xiàng)；未來(lái)大功率開(kāi)關(guān)還可能省掉笨重的鐵氧體環(huán)形器，從而使T/R組件的體積、重量和成本大大降低。美國(guó)將要在2013年進(jìn)行飛行試驗(yàn)平流層飛艇的樣機(jī)DS的X波段AESA的T/R組件使用SiGe BiCMOS工藝使每個(gè)通道的成本已經(jīng)接近$10，使成本大大減低，為AESA的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

四、應(yīng)用前景

從雷達(dá)的發(fā)展來(lái)看，未來(lái)的先進(jìn)的多功能多任務(wù)地面、海上、空中和空間的軍用和民用，如繁忙的國(guó)際大機(jī)場(chǎng)的控管調(diào)度雷達(dá)，基本上都是有源電掃相控陣AESA雷達(dá)。并且關(guān)鍵的T/R組件用量巨大，如美國(guó)的ISIS平流層傳感器系統(tǒng)的最終系統(tǒng)的X波段雷達(dá)就需要20,300,000（2030萬(wàn)）個(gè)T/R通道，一個(gè)這樣的系統(tǒng)所需要的T/R組件，按每小時(shí)生產(chǎn)1萬(wàn)，每周40個(gè)小時(shí)計(jì)算，就需要整整一年的時(shí)間才能生產(chǎn)出一套這樣的系統(tǒng)所需要的T/R組件。一個(gè)美國(guó)將要部署到日本的X波段遠(yuǎn)程警戒了多達(dá)有3~4個(gè)陣面，每個(gè)陣面按5m×5m計(jì)算，需要大約11萬(wàn)個(gè)T/R組件，4個(gè)陣面就需要大約45萬(wàn)個(gè)T/R組件。另外，未來(lái)的衛(wèi)星通訊系統(tǒng)人到人的視頻通訊，就需要占用很寬的頻帶和很大的容量，人到人的通訊需要大量靈活多變的直接輻射波束，這也需要大量的T/R組件；所以未來(lái)的衛(wèi)星通訊和雷達(dá)對(duì)T/R組件的需求量是十分巨大的，有著廣泛的應(yīng)用前景。

另外從西方先進(jìn)國(guó)家的AESA的發(fā)展來(lái)看，使用多個(gè)昂貴的GaAs MMIC，花大量手工操作制成的 “磚塊式”T/R組件，到現(xiàn)在可以用標(biāo)準(zhǔn)的Si半導(dǎo)體集成電路工藝成品率很高和集成度更高的大批量生產(chǎn)，使得每個(gè)T/R組件只需要2~3片MMIC，省掉了大量的手工操作，從而使AESA的成本大大降低，使得AESA不再是昂貴用不起的系統(tǒng)。并且，如果我們能夠借鑒西方先進(jìn)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，在國(guó)內(nèi)現(xiàn)在已經(jīng)掌握并成熟應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)Si半導(dǎo)體集成電路工藝的基礎(chǔ)上，增加個(gè)別應(yīng)變Si工藝設(shè)備，就可以走出一條多快好省的捷徑，使我們的軍用民用了的雷達(dá)和通訊迎頭趕上世界的先進(jìn)水平，促進(jìn)國(guó)防的現(xiàn)代化，為保衛(wèi)國(guó)家的領(lǐng)土完整做出貢獻(xiàn)。

綜上所述，AESA是未來(lái)雷達(dá)和通訊的發(fā)展的重要使能技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景；其間的關(guān)鍵T/R組件包含有多項(xiàng)國(guó)內(nèi)尚未突破高技術(shù)難題，復(fù)應(yīng)綜合科學(xué)院國(guó)家隊(duì)的研究方向力量；，一旦把這些關(guān)鍵技術(shù)難題突破，把科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，就可以對(duì)我國(guó)的軍用和民用雷達(dá)和通訊系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響和促進(jìn)，產(chǎn)生巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

五、結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)強(qiáng)電子干擾的惡劣電磁環(huán)境，以及嚴(yán)重地面、海雜波背景下的高速、隱形目標(biāo)(巡航導(dǎo)彈)和偽裝、隱蔽、欺騙CCD目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和確認(rèn)，使原來(lái)的集中發(fā)射機(jī)械掃描雷達(dá)難以適應(yīng)這些新的作戰(zhàn)要求，并將逐漸被邊沿化。

有源電掃相控陣AESA雷達(dá)經(jīng)過(guò)近二十年的發(fā)展，特別是MMIC等半導(dǎo)體、新材料和三維立體集成、包裝技術(shù)的迅速進(jìn)展，使AESA已經(jīng)相當(dāng)成熟；成本也在不斷下降，為AESA的廣泛使用創(chuàng)造了條件。AESA的波束靈活捷變，多功能、多任務(wù)、高可靠和低的全壽命周期維護(hù)成本，系統(tǒng)能量運(yùn)用合理，瓦片式TR適合未來(lái)共形隱身的設(shè)計(jì)要求等，使得AESA成為未來(lái)地面、海上、空中和空間雷達(dá)的主流已成世界雷達(dá)界的共識(shí)。AESA將成為下一代先進(jìn)的多功能多任務(wù)雷達(dá)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)，迫切需要解決AESA中的關(guān)鍵——T/R組件，特別是瓦片式T/R組件及其多功能核心MMIC芯片等關(guān)鍵問(wèn)題。這里有許多國(guó)際上頂尖的高新技術(shù)的難題，我們應(yīng)當(dāng)抓住機(jī)會(huì)，不斷創(chuàng)新，在此領(lǐng)域?yàn)閲?guó)家做出重大貢獻(xiàn)！

本文來(lái)自中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所荊麟角老師在中國(guó)科學(xué)院科學(xué)技術(shù)前沿沙龍《微波遙感技術(shù)的最新發(fā)展》上所做特邀報(bào)告。荊麟角老師簡(jiǎn)介:男，1941年生，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所研究員，主要從事微波遙感技術(shù)、合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)方面的研究。