氮化镓世界!威力倍增,赋能未来:战斗机机载氮化镓有源相控阵雷达大步迈向应用

云脑智库 2022-02-18 00:00


来源 | 空天防务观察

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2021628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。 

安装在瑞典800JAS-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。2020428日,瑞典萨伯集团宣布,该公司已从48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20189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)


202048日,800JAS-39D战斗机试验机开始在瑞典林雪平进行氮化镓机载有源相控阵火控雷达试飞,视频短片(瑞典萨伯集团视频)
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-18AD“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。 

英国BAE系统公司已有的六英寸氮化镓晶圆。2019101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)
20214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-18AD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。 

20191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-7990%以上的通用性。下图为20214月,美国雷神技术公司为美海军陆战队的1F/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25AN/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202112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25AN/APG-79(V)4 

雷神公司早在20163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20191017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20195月参加了该演示活动,随后雷神公司才在20197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-18AD获得与当前F/A-18E/F类似的雷达探测能力。 

韩国韩华集团正通过与欧洲国家和以色列合作,为KF-21“猎鹰”战斗机研制氮化镓机载有源相控阵火控雷达。韩国国防部国防发展局在201910月表示,该雷达演示机安装在以色列航宇工业公司埃尔塔系统分部的波音B737试验平台上,在以色列进行了10次试飞,在韩国进行了6次试飞。该雷达演示机采用了国防发展局、韩华集团提供的天线和软件,以及埃尔塔系统分部提供的信号处理机和软件。201911月,韩华集团称雷达演示机硬件评估已完成。201912月,国防发展局与韩华集团签订合同,增加雷达地形跟随功能。根据20203月的相关报道,该雷达即将开始生产代表型原型机的地面试验。韩华集团称,雷达演示机的冷却功率为7.7千瓦。2019年,希腊空军研究人员在分析美国诺格公司基于砷化镓组件的AN/APG-83雷达时称,该雷达冷却功率为5.6 千瓦,天线输出平均功率最大1 千瓦。因此,韩华集团称KF-21战斗机的雷达指标优于AN/APG-83。从本文报道来看,至少对美国雷神公司而言,在采用氮化镓技术之后,通常就应当能获得探测威力提高一倍的结果(韩国国防部国防采办计划管理局图片)
雷神情报与太空公司安全保密的传感器解决方案副总裁埃里克·迪特马尔斯(Eric Ditmars)说“我们可以将氮化镓能力带入该平台。它可以提供与你在‘超级大黄蜂’上所见相同的探测距离和能力。使用标准的砷化镓芯片无法做到这一点。你必须走向氮化镓,以在这个更小的天线面积中获得你需要的效率。”这种转变也不是一帆风顺的。雷神公司使用其内部研究与工程资金,将AN/APG-79雷达收发通道中基于砷化镓的单片微波集成电路转换为氮化镓,迪特马尔斯形容这“非常具有挑战性的技术问题”。 

20191017日,美国雷神公司宣布:美陆军已选择该公司作为“低层防空反导传感器”项目的中标方,标志着洛马和诺格两大竞标团队最终落败,“爱国者”系统雷达未来仍将由雷神研制。图为雷神公司的“低层防空反导传感器”原型机。该雷达也采用氮化镓技术,除了前方的主阵列之外,后方增加两个小阵列,在美陆军不做强制性要求的情况下仍提供全向探测,表明即使有这两个小阵列,雷神公司仍有把握满足美陆军的成本、进度等要求。通过采用氮化镓等技术,小阵列的尺寸只有“爱国者”现役雷达的一半,探测威力却达到后者的两倍以上。赢得该项目竞标是雷神公司此前赢得美海军舰载“防空反导雷达”(AMDR)即AN/APY-6雷达竞争后的又一胜利,凸显该公司在新型氮化镓雷达领域的优势,也使该公司继续坐稳“爱国者”系统雷达供应商位置,洛马公司则将继续为“爱国者”系统提供导弹(美国雷神技术公司图片)
氮化镓基收发通道阵列具有更高的效率,这意味着它将从天线表面发射更大的功率。由于功率升高,温度也会升高。额外的热量可能会压倒F/A-18AD原有的强迫风冷系统,因此雷神公司也为该型机安装了1套液冷系统。迪特马尔斯说:“你必须确保你的解决方案为系统带入了适量的冷却能力。它们带走热量,这样电路才能在它们的优化状态工作,保持合适的温度,确保性能和可靠性”。 

美空军EA-18G“咆哮者”电子战飞机配装AN/ALQ-249“下一代干扰机-中波段”NGJ-MB吊舱进行试飞。该型吊舱由雷神公司研制,已采用氮化镓技术。2021628日,美海军批准“下一代干扰机-中波段”计划进入生产和部署阶段,可授出低速初始生产合同。该吊舱使用最新的数字、软件赋能和有源电子扫描阵列技术来对抗先进的和新兴的威胁,并提供增强的空中电子攻击能力,以扰乱、拒止和降级敌防空系统和地面通信系统。美海军第23航空试验与鉴定中队(VX-23)支持了整个“下一代干扰机-中波段”计划的试验与鉴定工作,已对中波段干扰吊舱进行了超过145小时的飞行试验;美海军还进行了超过3100小时的暗室和实验室测试。除美海军外,澳大利亚皇家空军也参与了研制工作。中波段吊舱是更大的“下一代干扰机”系统的一部分,该系统将增强并最终取代EA-18G飞机目前使用的ALQ-99战术干扰系统(美海军航空系统司令部图片)
F/A-18AD换装氮化镓有源相控阵雷达只是雷神公司在该领域的第一步。下一步,该公司将瞄准为F/A-18E/FAN/APG-79雷达采用氮化镓技术。由于后者天线孔径更大,换装氮化镓之后也将获得更大的性能增量。准确的数据是保密的,但是迪特马尔斯透露,一般来说,氮化镓相对于砷化镓更高的功率附加效率,使之“在相同尺寸、孔径和功率总量的情况下,探测距离大约增加了一倍” 

诺格公司为美海军陆战队发展的AN/TPS-80雷达,从天线阵列外形及其支撑机构等来看,与诺格公司投标“低层防空反导传感器”的雷达原型机很相似。该雷达于20172月完成初始集成试验,在40多种不同的武器场景中鉴定了应对实际开火,完成了针对700多次实弹射击的跟踪,包括多种火箭弹、压制火炮炮弹和迫击炮弹。20173月交付首批低速初始生产型产品。首部采用氮化镓技术的AN/TPS-80雷达在20187月交付美海军陆战队,201967日,美海军陆战队授予诺格公司一份合同,采购30部全速生产阶段第6生产批次的该型雷达。进入全速生产阶段之后,该雷达的单价约为2000万~3000万美元(美国诺格公司图片)
在某种程度上,随着对手们部署射程更远的陆基防空和空对空拦射导弹,氮化镓阵列可使类似F/A-18E/F这样的四代机变得更加重要。F/A-18E/F缺乏F-22F-35的隐身能力,因此最大化火控雷达的探测距离可能成为一个优先事项。这也适用于其他机型。例如,美空军正在部署配装AN/APG-82有源相控阵雷达的F-15EX战斗机,但已在202012月发布一份信息征询书,为该型机寻求各种可能的升级。雷神公司在响应材料中提出了为AN/APG-82雷达应用氮化镓技术,并从20216月初开始与美空军就F-15EX未来的雷达升级进行了后续讨论。 

印度国防部国防研发组织(DRDO)电子与雷达发展院为“光辉”战斗机研制了“卓越”机载有源相控阵火控雷达。该雷达从2008年开始研制,2009年就在印度航展上披露。印度宣称该型雷达为液冷雷达,截至20208月已完成100多小时他机试飞和近25小时配装“光辉”战斗机的试飞,并完成了关键的空对空模式试验,获得了比以色列航宇工业公司埃尔塔分部的EL/M-2052机载有源相控阵雷达更好的探测结果;计划在2021年年底或2022年年初之前完成空对地和空对海模式试验,然后投产。“卓越”雷达的主动阵列天线单元(AAAU)共有1844单元收发组件通道、共736个收发通道。图为机头配装“卓越”雷达的“光辉”在2019年印度航展上进行展示。未来,印度会借助欧洲国家和以色列的帮助,或直接引进相关产品,为已采用液冷的“卓越”雷达引入氮化镓技术吗?(印度国防部国防研发组织等图片)
但雷达制造商的终极战利品将是下一代作战飞机。美空军和海军正在发展分别取代F-22F/A-18E/F的战斗机。一型高度隐身的飞机应能更加靠近目标而不被探测到,实际上降低了对氮化镓雷达探测距离优势的需求。但是,氮化镓基传感器可以提供其他好处,例如可以采用更小的阵列,并在比砷化镓更宽的频谱范围内应用跳频技术。迪特马尔斯说:“拥有更宽的频带将使你能够进行跳频,确保你不会停留在某个特定频率上。后一种情况会让你更容易被探测到” 

日本正在为F-X(即F-3)下一代战斗机研制氮化镓有源相控阵火控雷达。上图为201811月,防卫省防卫装备厅在东京航空航天展上展出的基于氮化镓的多功能射频系统15样机;下图为201711月,防卫省防卫装备厅在年度防卫技术大会上提供的氮化镓机载多功能射频系统的介绍。按照防卫装备厅的计划,该系统样机将在F-2战斗机上开展领先试飞(日本防卫省图片)
此外,射频传感器技术将在下一代战斗机上得到进化:一个多功能孔径组成的网络将能完成感知、干扰和通信功能,分布在战斗机组成的网络而不是仅仅单个飞机上“随着你转向更保形的材料和其他现有技术,你能更有效地将天线放置在任何地方。你还能真的协调分离的天线共同工作,这样,你就能在一架飞机上安装雷达,也能在僚机上协调更复杂的解决方案。当你开始将这些不同的阵列联网时,你就能做某些有趣的事情,使你既不被探测到,又能感知整个空域”。 

美国防部国防高级研究计划局(DARPA)已将氮化镓研究推向“氮化镓+”,拟通过增强的片上冷却,将氮化镓晶体管的功率密度由2016前后最高的10瓦/毫米左右,在2020年前后提升到25瓦/毫米左右。这样可在提高可靠性的同时,将设备输出功率提升至2016年时最先进氮化镓技术的6.8倍,雷达探测距离和通信作用距离则分别提升至1.6倍和2.6倍。也即,未来战斗机采用的氮化镓机载有源相控阵火控雷达,其性能可能比当前的氮化镓雷达有进一步重大提升(DARPA图片)
不过,雷神公司在现有火控雷达中应用氮化镓技术的路径可能并不是通用的。美国诺格公司已在为美海军陆战队提供采用氮化镓技术的AN/TPS-80“地面/空中任务导向雷达”G/ATOR)。该公司也是F-16战斗机的AN/APG-83F-22AN/APG-77F-35AN/APG-81等机载有源相控阵火控雷达的供应商,但它没有评论是否应为现有系统提供包括转向氮化镓在内的升级路线图。该公司空中主宰及打击副总裁 格雷戈·西默(Greg Simer)表示,公司致力于在有意义的地方应用氮化镓。“我不知道那些传统‘大黄蜂’机队的具体细节,以及导致它们采用氮化镓方案的驱动因素和要求是什么。但是每型飞机都有独特的约束和要求,在正确的场合采用氮化镓也是可能的” 

上图为2018314瑞典首架“全球眼”预警机完成首飞后着陆;下图为以色列2016年年底交付给意大利的“湾流”G550公务机改“保形空中预警”飞机“全球眼”是目前已知的第二型采用氮化镓收发通道阵列预警雷达的预警机,阿联酋空军现已列装3架,瑞典空军也将列装。我们曾认为“全球眼”是世界上首架实际采用氮化镓预警雷达的预警机。但是以色列在201811月首次披露,其从201612月开始交付给意大利空军的“湾流”G550公务机改“保形空中预警”飞机已采用基于氮化镓技术的预警雷达(瑞典萨伯集团公司、以色列航宇工业公司图片)
以色列航宇工业公司埃尔塔系统分部也是机载火控雷达供应商,它确认其已将氮化镓技术应用到某种战斗机阵列,但没有提供细节。该分部研究、发展与创新副总裁以色列·卢帕(Israel Lupa)透露,“你可以这么说:我们也在机载应用方面实施氮化镓技术,包括战斗机” 

除了为“白尾海雕”预警机的预警雷达采用氮化镓技术,以色列航宇工业公司已交付以色列国防军等用户的EL/M-2084防空雷达在改进中,也已采用氮化镓技术。美国洛马公司在竞标美陆军“低层防空反导传感器”项目时,就和以色列航宇工业公司合作,在后者的EL/M-2084基础上提出基于氮化镓的竞标方案。本篇动向中以色列提及在战斗机上采用氮化镓技术,推测其应用可能涉及以色列为F-35IF-15IF-16I等战斗机及部分无人机开发的保密电子战系统,以及一些主要面向出口市场的机载火控雷达(以色列航宇工业公司图片)

- The End

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