[科普中國]-氮化鎵技術(shù)如何“加持”美軍新一代雷達(dá)

出品：科普中國

作者：岳江鋒

策劃：宋雅娟

監(jiān)制：光明網(wǎng)科普事業(yè)部

雷聲公司展出的LTAMDS雷達(dá)模型（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

近日，美國陸軍宣布雷聲公司贏得“低層防空反導(dǎo)傳感器”（LTAMDS）計(jì)劃。

根據(jù)目前的信息，雷聲公司之所以獲得美軍的青睞，很重要的一點(diǎn)是其雷達(dá)采用了最新的氮化鎵半導(dǎo)體器件技術(shù)，使其探測(cè)距離可達(dá)到傳統(tǒng)無源相控陣?yán)走_(dá)的數(shù)倍。不難想象，該則消息也會(huì)讓氮化鎵技術(shù)在未來受到更多的關(guān)注。

氮化鎵芯片（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

小芯片迎來大革新

眾所周知，目前砷化鎵器件廣泛用于各種軍事電子裝備，如移動(dòng)通訊、衛(wèi)星通訊、微波通訊、雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)等領(lǐng)域。而與之相比，氮化鎵（GaN）的應(yīng)用前景更為廣闊。氮化鎵是一種堅(jiān)硬的玻璃狀物質(zhì)，其晶體結(jié)構(gòu)可以使電子的移動(dòng)速度比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)芯片中使用的硅快1 000倍。研究表明，以氮化鎵為主的電子芯片的功率密度是砷化鎵芯片的5一10倍，因此在相同條件下，氮化鎵芯片可承受的電壓或電流是砷化鎵芯片的2倍以上。同時(shí)氮化鎵的熱導(dǎo)率比砷化鎵高7倍，對(duì)散熱的要求更低，可以在更大的功率下工作。據(jù) DARPA稱，與砷化鎵相比，同樣尺寸采用氮化鎵的天線發(fā)射器功率要大一個(gè)數(shù)量級(jí)，探測(cè)距離比原來延伸了77％。相應(yīng)的是，在相同功率需求下，可將雷達(dá)接收發(fā)射單元的數(shù)量減少到原來的1/10，從而大大減少天線面板的尺寸，使雷達(dá)變得更小更輕。而在制造成本方面，以硅基氮化鎵制成的高電子遷移晶體管(HEMT)比同級(jí)的碳化硅組件更便宜，所以使用氮化鎵技術(shù)的雷達(dá)價(jià)格更低。另外根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，氮化鎵元器件的平均無故障間隔時(shí)間( MTTF)可達(dá)千萬小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有產(chǎn)品。

電子設(shè)備的“加持法寶”

現(xiàn)在氮化鎵技術(shù)已經(jīng)被各國所重視，并在一些電子設(shè)備中得到了應(yīng)用。如在旨在提高美國的空間態(tài)勢(shì)感知能力的“太空籬笆”計(jì)劃中，洛?馬公司采用了最新的單片微波集成電路技術(shù)(MMIC)，該MMIC中就采用了氮化線(GaN)半導(dǎo)體材料，使有源相控陣?yán)走_(dá)獲得更高的功率密度、效率及可靠性。

美海軍新型SPY-6防空反導(dǎo)雷達(dá)（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

此次雷聲公司更夠勝出也并非偶然，該公司于20年前就開始投資氮化鎵技術(shù)的開發(fā)。迄今為止，雷聲公司已經(jīng)投資3億美元深度開發(fā)氮化鎵技術(shù)，包括在新罕布什爾州建立自己的氮化鎵鑄造廠和一個(gè)雷達(dá)原型工廠，并反復(fù)在高溫高壓條件下，測(cè)試?yán)走_(dá)的穩(wěn)定性和可靠性。在美國“驅(qū)逐艦防空反導(dǎo)雷達(dá)”（AMDR）項(xiàng)目中，雷聲公司也加入了氮化鎵技術(shù)。據(jù)悉，AMDR 主要安裝在美國海軍 Flight Ⅲ型“阿利·伯克”級(jí)（DDG-51 型）驅(qū)逐艦上，代號(hào)AN/SPY-6，是一種雙波段雷達(dá)系統(tǒng)，由一部 S 波段遠(yuǎn)程雷達(dá)（AMDR-S）、一部 X 波段中 / 近程多功能雷達(dá)（AMDR-X）構(gòu)成，而AMDR-S 的主要關(guān)鍵技術(shù)之一是 T/R 組件采用氮化鎵替代砷化鎵。據(jù)雷聲公司負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的經(jīng)理表示，之所以選擇氮化鎵，是因?yàn)榕炤d雷達(dá)受到船舶功率和重量預(yù)算的制約，砷化鎵難以適應(yīng)需要，也遠(yuǎn)不及氮化鎵高效。目前第一套完整的 AN/SPY-6 已交付并安裝于首艘FlightⅢ導(dǎo)彈驅(qū)逐艦（DDG-124）上，2021 年展開作戰(zhàn)測(cè)試。

文中開頭提到的“低層防空反導(dǎo)傳感器”（LTAMDS）項(xiàng)目在2017年初由美國陸軍開展招標(biāo)。該項(xiàng)目的起因是這些年來隨著戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)的變化，美軍深感原先使用的“愛國者”雷達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)逐漸力不從心。為了應(yīng)對(duì)那些更小、更靈活、更具殺傷力的空中威脅，美軍需要一款更為先進(jìn)，并能夠探測(cè)360度全方位威脅的雷達(dá)作為替代。2017年10月13日，美國國防部軍械技術(shù)聯(lián)合會(huì)授予雷聲公司、洛克希德?馬丁公司、諾斯羅普?格魯曼公司以及技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用公司LTAMDS原型技術(shù)成熟階段合同。2019年6月17日，有消息稱美陸軍在白沙導(dǎo)彈靶場(chǎng)完成了近三個(gè)月的“低層防空反導(dǎo)傳感器”原型演示驗(yàn)證。試驗(yàn)中美陸軍測(cè)試了三種不同的“低層防空反導(dǎo)傳感器”原型，跟蹤了模擬來襲導(dǎo)彈和真實(shí)飛機(jī)。從目前的中標(biāo)結(jié)果來看，雷聲公司的產(chǎn)品表現(xiàn)最為出眾。此次中標(biāo)后，雷聲公司將收到超過3.84億美元的款項(xiàng)，根據(jù)另一項(xiàng)交易授權(quán)美國陸軍協(xié)議，交付6個(gè)先進(jìn)LTAMDS雷達(dá)生產(chǎn)型單元，計(jì)劃在2022年LTAMDS將達(dá)到與美國陸軍的初始作戰(zhàn)能力。無疑，隨著雷聲公司的雷達(dá)成為美軍“愛國者”雷達(dá)的接班人，未來氮化鎵技術(shù)會(huì)更加大放異彩。