氮化镓技术如何“加持”美军新一代雷达

　　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。