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雷达采用氮化镓材料和华睿DSP 中国雷达性能提升5倍

发布日期:2018-08-30  浏览次数:107
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  所谓相控阵雷达技术,简单讲就是在一个阵面上放置了大量的辐射器(小天线)组成的阵列,辐射器数量成百上千,每个辐射器的后面都接有一个可控移相器,移相器由电子计算机控制。典型的相控阵是利用电子计算机控制移相器改变天线孔径上的相位分布来实现波束在空间的扫描,即电子扫描。

  

 

  相控阵雷达又分为有源(AESA)和无源(PESA)两类,其实从外部来看,它们很难区分,两者天线阵基本相同,其主要区别在于发射/接收元素的多少。

  其中,PESA天线表面阵元只有改变信号相位的能力而没有发射信号的能力,信号的产生还是依靠天线后方的信号产生器,然后利用波导管将产生的信号送到信号放大器上,再传送到阵列单元上面,接收时则反向而行。这和机械扫描脉冲多普勒雷达产生信号的方式一样,区别主要在天线上。

  而AESA雷达的每个阵元都配装有一个发射/接收组件,天线表面的每一个阵列单元都能自己产生、接收电磁波。其天线不需要依靠讯号产生器以及波导管馈送讯号,大多数元器件例如低噪放(LNA)、功放、双工器、移相器等都被小型化并组成一个T/R模块,每个T/R模块可以被理解为一个小型雷达。

  

 

  由于AESA 的辐射单元与 LNA 之间只有双工器和低能量接收机保护装置这两道“关卡”,系统内部的单程典型信号损失 (不包括 LNA 自身信号损失在内)小 ,因此灵敏度提高、探测距离大幅延长,更可将波束集中在窄角度能量集里,提高对低RCS目标的探测能力,或以不同频率、角度发射多个波束,同时完成多个任务。

  

 

  (二)雷达好不好,关键看半导体材料

  现代雷达的基础是半导体器件,雷达电子器件的大规模集成电路被植入在半导体之上,这些半导体被称为衬底。

  一般的半导体衬底都有击穿电压,一旦电压超过限度,器件就要损坏。它也对应了一个电子漂移速率,这是其材料的自由电子脱离原电子轨道和结合新电子轨道的速率决定的。脱离的难易程度叫做禁带宽度,禁带越宽,相应的击穿电压就越大,器件最大输出功率也更大,电路开关响应速率就更快,可以做更高频率的微波器件。

  而微波器件的功率与频率往往决定了雷达本身的探测性能,在隐形技术不断扩散的今天,更高的工作功率与频率也有助于雷达在更远距离发现低RCS目标。

  

 

  在微波大功率的半导体材料应用上,目前大多采用砷化镓(GaAs),当前在射频和微波频段下常用的功率器件多为基于砷化镓材料的HFET(高电子迁移率晶体管)和PHEMT器件。然而,随着对更高频率、功率的追求,对于砷化镓来说有很大的困难,这就需要新材料来突破这个瓶颈。

  作为第三代半导体材料的GaN(氮化镓)应运而生,目前氮化镓已经占领一些民用蜂窝基础设施等市场,并逐步扩展了在高功率微波军事领域中的应用。

  

 

  氮化镓半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、电子饱和漂移速度高的特点,对于高频率信号的响应更佳,其在高功率放大器的设计、生产及运行中有显著优势。在加热状况下,氮化镓晶体管能在微波频率有效放大高功率射频信号,其射频功放提供的功率是砷化镓的5倍,可使军用射频组件尺寸不增而进一步提高功率,从而提升雷达探测性能。

  此外,因AESA的T/R模块功率利用有限(一般在30%左右),大部分能量被转换成热量散失,整个阵面上千个T/R单元在工作时,其产生的热量相当可观,这就需要额外的冷却系统。

  而氮化镓材料大禁带宽度特性也使得其散热性能比砷化镓更好,基于氮化镓的器件能够比砷化镓器件在高很多的温度下工作,功率相当情况下采用的配套散热器的体积可以进一步缩小,这对于空间紧张、重量分布条件苛刻的战斗机平台来说是个很大的优点。

  

 

  早在2010年,国内已研发出输出功率达50W 的X波段氮化镓功放管,MMIC(单片微波集成电路)的输出功率已大于10W,丝毫不逊于F-22战机APG-77雷达的元器件(8~10W)。这为国产x波段机载AESA雷达所需大功率微波器件的工程应用提供了帮助。

  另外,华睿1号和华睿2号的问世,解决了中国雷达芯片无芯之痛。彻底摆脱国外DSP依赖。

  


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