眾所周知，雷達是現代戰爭中發現目標和瞄準攻擊的不可或缺的最主要手段。在二戰中發揮了重要作用。戰后，雷達界的專家總結了涉及雷達技術的幾乎全部內容，出版了有28分冊的“雷達手冊”，雷達界也有相當一部人認為“雷達已經達到了非常成熟的階段。”然而，近二十多年來世界上發生多次局部高技術戰爭，使我們更清楚地認識到：雷達觀察的目標發生了重大變化，雷達工作的電磁環境嚴重惡化，并對雷達的發展產生了巨大的影響。隨著微波、計算機、半導體技術和大規模集成電路技術的迅速發展，也使雷達技術發生了革命性躍進。

一、使用環境的新挑戰

在過去的幾次局部高技術戰爭中，美國等西方國家在一開始就使用了大量的超低空飛行的巡航導彈和雷達截面積很小的隱形飛機，給對方的防空設施進行精確打擊和幾乎徹底的摧毀。超低空飛行的巡航導彈雷達截面積RCS小，地面雷達因為有觀察死角很難遠距離發現并及早預警；又因為有很強的地面雜波背景和相對地面車輛高得多的飛行速度，使得空中老式靠機械轉動掃描的雷達也很難發現并進行有效的跟蹤預警。

表1、各國三四代戰機雷達截面積RCS比較

圖1、美F-22四代機（可在400km發現像F-16的目標）

圖2、去年首飛成功的美艦載隱形無人作戰飛機X-47B

美國的第四代空中優勢F-22猛禽戰斗機，是根據美國空軍“全球到達，全球力量”的戰略思想設計的，要求它能在未來空空、空地戰場威脅環境中奪取空中優勢，確保美軍能同時打贏兩場大規模局部戰爭。美國空軍希望憑借少量的先進的F-22抗擊大量技術相對落后的敵機，取得制空權。美國稱其為制空（Air Dominance）戰機。F-22的正面雷達反射截面積僅為0.0065平方米，比一般的像F-15C/Su27第三代戰斗機的正面雷達反射截面積小1000倍，生存能力比目前的常規飛機提高18倍，作戰效能是F-15戰斗機的3倍。2011年2月美國的隱形艦載無人戰斗機X-47B首飛成功，它能在空中持續飛行30個小時，作戰半徑超過一千公里。

根據英國的計算機仿真和美國的實戰對抗演習，F -22可以在400km之外發現像Su27這樣的三代機，在對方毫不知情的情況下發起“首先發現，首先射殺”的超視距攻擊。這些低截獲概率LPI隱形目標的出現也給雷達提出了極大的挑戰。

表2、F/A-22與第三代戰機對抗仿真及實戰演習結果

除了雷達截面積很小截獲概率很低的隱形目標外，雷達的使用環境嚴重惡化，戰場上會遇到很強的電磁干擾。特別是去年的利比亞戰爭中，美國派出了它們最先進的 “咆哮者”電子戰攻擊機EA-18G，它大顯身手，實施了強大的有針對性的全頻譜干擾，讓利比亞的雷達全部成了瞎子，雷達、電子設備全部失靈，地面導彈毫無還手之力，成為名副其實的靶子！

圖3、美國新研發并投入現役、裝有能精確瞄準定位全頻譜干擾的EA-18G“咆哮者”電子戰飛機

新的超低空高速飛行帶有強地雜波背景的巡航導彈和雷達截面積很小的低截獲概率LPI的隱形目標，以及日益惡化的強電子干擾的作戰環境，使老式的機械掃描MSA雷達無法滿足這些作戰使用要求，并將在不久的將來逐步退出歷史舞臺。

二、未來雷達的發展趨勢——有源電掃相控陣AESA雷達

從上面的雷達要探測的目標和作戰環境的變化來看，要求未來的雷達必須具有很強的電子對抗能力，在惡劣的電磁干擾環境仍然能正常工作（圖4）；對于機載雷達要求對空和對地都能工作，并能在大空域搜索的同時對多個目標進行有效跟蹤；要求雷達能多任務、多功能（合成孔徑成像SAR, 逆合成孔徑成型ISAR, 地面動目標GMTI, 空中動目標AMTI, 高分辨率，低截獲LPI目標探測，火控，敵我識別，電子對抗支持等）（圖5）。老式機械掃描MSA雷達很難滿足這些苛刻的使用要求，并將不久的將來逐步被邊緣化。

圖4、有源相控陣AESA天線的自適應波束置零的功能可以有效對抗人為的干擾。并且已經由英法德三國的AMSAR AESA樣機得到了驗證。

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

美國雷神公司最早裝備F-15C的APG-79有源電掃相控陣AESA雷達已經工作了5年多超過15,000小時仍然沒有出現故障；該公司聲稱在10~20年內基本上不需要維修。著名的生產F-22相控陣雷達APG-77的若斯洛普-格魯曼航電開發部主任也說：“APG-77的雷達天線罩可以密封起來！”這些已經投入使用的AESA雷達實際運行也充分證明了AESA的高可靠性能。而相比之下，老式的機械掃描雷達MSA和集中發射的無源相控陣ESA雷達也因高壓密封充氣饋電、平臺機械掃描轉動的磨損等故障多發因素，平均無故障時間MTBF只有60~300小時。實踐已經證明AESA與老式的MSA和ESA相比，可靠性具有明顯的優勢。

老式的無源相控陣ESA的移相調整發射時是在高功率電平移相衰減后在發射出去，除影響雷達的探測距離外，移相器產生的熱量的散熱設計也成了一個大問題；在接收時，微弱的回波信號是首先經過移相衰減，使得雷達接收機的靈敏度大大降低，對雷達的性能產生不利影響。而有源電掃相控陣AESA的移相調整在發射時是在低功率電平移相，然后在經過功率放大后直接發射出去，對雷達的性能影響不大；接收時，微弱的回波信號是首先進入低噪聲放大器進行放大后，才由移相器移相，對接收機的靈敏度幾乎沒有什么影響（圖6）。所以從雷達系統能量的運用上AESA也具有它固有的優勢。

圖6、AESA與ESA比較

綜上所述，就AESA來說，無論從理論上還是實踐上，美國防部2001年3月的專家組報告得出的結論是：“經過上世紀九十年代美國防部DARPA項目的支持，X波段有源電掃相控陣AESA的技術已經相當成熟了。AESA能使雷達的基本能力提高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。新的設計簡化了制造，并支持高可靠和低維護成本的目標，這樣就使服務期的費用更低。美國防部專家任務組極其深刻地感受到這些進步，得出結論：未來美國不可能再采購任何不采用有源電掃相控陣技術AESA的機載（甚至地面、艦船）雷達系統。”法德意大利等國的雷達界也認為下一代的陸地、艦船、空中和空間的雷達幾乎全部是有源相控陣AESA雷達系統；這已成了國際上雷達界的共識。

三、有源電掃相控陣AESA雷達的關鍵——T/R組件

有源相控陣AESA雷達是下一代先進的多功能雷達的必然發展趨勢已成為世界上雷達界的一致看法。在半導體、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迅速發展的推動下，AESA經過二十多年的發展，在重量和體積大大減小的同時，性能得到了顯著提高，成本也在不斷下降，為有源相控陣AESA的在各領域的廣泛應用創造了條件，AESA的前景光輝燦爛。

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

有源相控陣AESA經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T/R通道要用7~11個（移相器，衰減器，放大器，開關，控制電路和供電電源）MMIC芯片；到只用2~3個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，預功放推動級，開關和控制電路等都集成在一個只有大約4 ？4~5mm2芯片上。用標準的Si工藝和最便宜的Si做襯底，同時把微波/射頻模擬電路的SiGe BiCMOS和控制開關的數字電路的Si CMOS混合集成到單一芯片上，使得現在整個T/R組件，不但使電路芯片的面積減少，還節省了采用多個MMIC芯片時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”的進展

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

標準的Si IC工藝能把RF/微波模擬電路的SiGe BiCMOS和數字控制電路的Si CMOS集成在單個芯片上，并做出適合于低功率密度應用的單片雷達（Radar on chip）。雖然SiGe的輸出功率和噪聲性能不如GaAs和寬禁帶半導體GaN, SiC, 它的成本優勢明顯，可以低成本高成品率的大批量生產，同時，又與未來的數字化雷達所需要的高速ADC和DAC，以及高速FPGA工藝相匹配，所以SiGeBiCMOS和Si CMOS將會成為未來AESA的后端的重要選項；未來大功率開關還可能省掉笨重的鐵氧體環形器，從而使T/R組件的體積、重量和成本大大降低。美國將要在2013年進行飛行試驗平流層飛艇的樣機DS的X波段AESA的T/R組件使用SiGe BiCMOS工藝使每個通道的成本已經接近$10，使成本大大減低，為AESA的廣泛應用創造了條件。

四、應用前景

從雷達的發展來看，未來的先進的多功能多任務地面、海上、空中和空間的軍用和民用，如繁忙的國際大機場的控管調度雷達，基本上都是有源電掃相控陣AESA雷達。并且關鍵的T/R組件用量巨大，如美國的ISIS平流層傳感器系統的最終系統的X波段雷達就需要20,300,000（2030萬）個T/R通道，一個這樣的系統所需要的T/R組件，按每小時生產1萬，每周40個小時計算，就需要整整一年的時間才能生產出一套這樣的系統所需要的T/R組件。一個美國將要部署到日本的X波段遠程警戒了多達有3~4個陣面，每個陣面按5m×5m計算，需要大約11萬個T/R組件，4個陣面就需要大約45萬個T/R組件。另外，未來的衛星通訊系統人到人的視頻通訊，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；所以未來的衛星通訊和雷達對T/R組件的需求量是十分巨大的，有著廣泛的應用前景。

另外從西方先進國家的AESA的發展來看，使用多個昂貴的GaAs MMIC，花大量手工操作制成的 “磚塊式”T/R組件，到現在可以用標準的Si半導體集成電路工藝成品率很高和集成度更高的大批量生產，使得每個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。并且，如果我們能夠借鑒西方先進國家的經驗，在國內現在已經掌握并成熟應用的標準Si半導體集成電路工藝的基礎上，增加個別應變Si工藝設備，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和通訊迎頭趕上世界的先進水平，促進國防的現代化，為保衛國家的領土完整做出貢獻。

綜上所述，AESA是未來雷達和通訊的發展的重要使能技術，具有廣泛的應用前景；其間的關鍵T/R組件包含有多項國內尚未突破高技術難題，復應綜合科學院國家隊的研究方向力量；，一旦把這些關鍵技術難題突破，把科研成果轉化為生產力，就可以對我國的軍用和民用雷達和通訊系統產生重大影響和促進，產生巨大的社會和經濟效益。

五、結束語

未來強電子干擾的惡劣電磁環境，以及嚴重地面、海雜波背景下的高速、隱形目標(巡航導彈)和偽裝、隱蔽、欺騙CCD目標的發現、識別和確認，使原來的集中發射機械掃描雷達難以適應這些新的作戰要求，并將逐漸被邊沿化。

有源電掃相控陣AESA雷達經過近二十年的發展，特別是MMIC等半導體、新材料和三維立體集成、包裝技術的迅速進展，使AESA已經相當成熟；成本也在不斷下降，為AESA的廣泛使用創造了條件。AESA的波束靈活捷變，多功能、多任務、高可靠和低的全壽命周期維護成本，系統能量運用合理，瓦片式TR適合未來共形隱身的設計要求等，使得AESA成為未來地面、海上、空中和空間雷達的主流已成世界雷達界的共識。AESA將成為下一代先進的多功能多任務雷達發展的必然趨勢。

對我國來說，迫切需要解決AESA中的關鍵——T/R組件，特別是瓦片式T/R組件及其多功能核心MMIC芯片等關鍵問題。這里有許多國際上頂尖的高新技術的難題，我們應當抓住機會，不斷創新，在此領域為國家做出重大貢獻！

本文來自中國科學院電子學研究所荊麟角老師在中國科學院科學技術前沿沙龍《微波遙感技術的最新發展》上所做特邀報告。荊麟角老師簡介:男，1941年生，中國科學院電子學研究所研究員，主要從事微波遙感技術、合成孔徑雷達成像系統方面的研究。