氮化镓技术如何“加持”美军新一代雷达
科普中国-军事科技前沿 作者:兰顺正 发布时间:2019-12-13 浏览次数:835

出品:科普中国

  作者:兰顺正

  策划:宋雅娟

  监制:光明网科普事业部

  

  雷声公司展出的LTAMDS雷达模型(图片来自网络)

  近日,美国陆军宣布雷声公司赢得“低层防空反导传感器”(LTAMDS)计划。

  根据目前的信息,雷声公司之所以获得美军的青睐,很重要的一点是其雷达采用了最新的氮化镓半导体器件技术,使其探测距离可达到传统无源相控阵雷达的数倍。不难想象,该则消息也会让氮化镓技术在未来受到更多的关注。

  

  氮化镓芯片(图片来自网络)

  小芯片迎来大革新

  众所周知,目前砷化镓器件广泛用于各种军事电子装备,如移动通讯、卫星通讯、微波通讯、雷达和电子战系统等领域。而与之相比,氮化镓(GaN)的应用前景更为广阔。氮化镓是一种坚硬的玻璃状物质,其晶体结构可以使电子的移动速度比传统计算机芯片中使用的硅快1 000倍。研究表明,以氮化镓为主的电子芯片的功率密度是砷化镓芯片的5一10倍,因此在相同条件下,氮化镓芯片可承受的电压或电流是砷化镓芯片的2倍以上。同时氮化镓的热导率比砷化镓高7倍,对散热的要求更低,可以在更大的功率下工作。据 DARPA称,与砷化镓相比,同样尺寸采用氮化镓的天线发射器功率要大一个数量级,探测距离比原来延伸了77%。相应的是,在相同功率需求下,可将雷达接收发射单元的数量减少到原来的1/10,从而大大减少天线面板的尺寸,使雷达变得更小更轻。而在制造成本方面,以硅基氮化镓制成的高电子迁移晶体管(HEMT)比同级的碳化硅组件更便宜,所以使用氮化镓技术的雷达价格更低。另外根据实验室测试,氮化镓元器件的平均无故障间隔时间( MTTF)可达千万小时,远远优于现有产品。

  电子设备的“加持法宝”

  现在氮化镓技术已经被各国所重视,并在一些电子设备中得到了应用。如在旨在提高美国的空间态势感知能力的“太空篱笆”计划中,洛・马公司采用了最新的单片微波集成电路技术(MMIC),该MMIC中就采用了氮化線(GaN)半导体材料,使有源相控阵雷达获得更高的功率密度、效率及可靠性。

  

  美海军新型SPY-6防空反导雷达(图片来自网络)

  此次雷声公司更够胜出也并非偶然,该公司于20年前就开始投资氮化镓技术的开发。迄今为止,雷声公司已经投资3亿美元深度开发氮化镓技术,包括在新罕布什尔州建立自己的氮化镓铸造厂和一个雷达原型工厂,并反复在高温高压条件下,测试雷达的稳定性和可靠性。在美国“驱逐舰防空反导雷达”(AMDR)项目中,雷声公司也加入了氮化镓技术。据悉,AMDR 主要安装在美国海军 Flight Ⅲ型“阿利·伯克”级(DDG-51 型)驱逐舰上,代号AN/SPY-6,是一种双波段雷达系统,由一部 S 波段远程雷达(AMDR-S)、一部 X 波段中 / 近程多功能雷达(AMDR-X)构成,而AMDR-S 的主要关键技术之一是 T/R 组件采用氮化镓替代砷化镓。据雷声公司负责该项目的经理表示,之所以选择氮化镓,是因为舰载雷达受到船舶功率和重量预算的制约,砷化镓难以适应需要,也远不及氮化镓高效。目前第一套完整的 AN/SPY-6 已交付并安装于首艘FlightⅢ导弹驱逐舰(DDG-124)上,2021 年展开作战测试。

  文中开头提到的“低层防空反导传感器”(LTAMDS)项目在2017年初由美国陆军开展招标。该项目的起因是这些年来随着战场形势的变化,美军深感原先使用的“爱国者”雷达系统已经逐渐力不从心。为了应对那些更小、更灵活、更具杀伤力的空中威胁,美军需要一款更为先进,并能够探测360度全方位威胁的雷达作为替代。2017年10月13日,美国国防部军械技术联合会授予雷声公司、洛克希德•马丁公司、诺斯罗普•格鲁曼公司以及技术创新应用公司LTAMDS原型技术成熟阶段合同。2019年6月17日,有消息称美陆军在白沙导弹靶场完成了近三个月的“低层防空反导传感器”原型演示验证。试验中美陆军测试了三种不同的“低层防空反导传感器”原型,跟踪了模拟来袭导弹和真实飞机。从目前的中标结果来看,雷声公司的产品表现最为出众。此次中标后,雷声公司将收到超过3.84亿美元的款项,根据另一项交易授权美国陆军协议,交付6个先进LTAMDS雷达生产型单元,计划在2022年LTAMDS将达到与美国陆军的初始作战能力。无疑,随着雷声公司的雷达成为美军“爱国者”雷达的接班人,未来氮化镓技术会更加大放异彩。