雷达行业深度报告：国防装备更新换代有源相控阵雷达替代潮流涌起.docx

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1、1雷达及其分类通过无线电的电磁能量以定向方式发射到空间中，再接收到空间内存在的物体所反射的电磁波来计算物体的形状、方向、高度、速度的装备叫做雷达，即RADAR,全称是RadioDetectionandRanging（无线电侦测和定距）雷达有多种分类方式，根据雷达天线扫描方式可分为机械扫描雷达、相控阵雷达。行业报告研究院传统机械扫描雷达拥有凹面镜式的抛物面，该抛物面用来收缩视角，雷达的精度很大程度上取决于天线的面积，因此机械扫描雷达的体积比较大.为了让信号波发射到不同的方向，从而探测到不同方向的目标，机械扫描雷达需要不断地转动天线来向不同方向发射波束。相控阵雷达即相位控制电子扫描阵列雷达，利用大

2、量个别控制的小型天线元件排列成天线阵面，每个天线单元都有独立的控制开关，通过控制各天线元件发射的时间差，就能合成不同相位（指向）的主波束。在相同的孔径和波长下，相控阵的反应速率、多目标追踪能力、分辨率、多功能性、电子反对抗能力都优于传统雷达，但造价更为昂贵、技术要求高、功耗和冷却需求大.2相控阵雷达的发展过程2.1 相控阵雷达经历了无源、有源、数字化的发展历程根据罗敏所著的多功能相控阵雷达发展现状及趋势，20世纪60年代，相控阵雷达（PAR）的出现主要是为了解决对外空目标的监视问题。20世纪70年代开始，各种战术相控阵雷达纷纷出现，从无源相控阵雷达（PESA）发展到有源相控阵雷达（AESA）.

3、20世纪90年代，数字多功能雷达（MPAR）开始得到快速发展.进入21世纪后，MPAR开始在交通监视、国土安全和导弹防御领域得到大量应用。2.2 无源到有源的发展过程，T/R组件用量大幅增加相控阵雷达有成百上千个天线元件组成的天线阵面，通过计算机控制，天线元件按顺序先后发射电磁波形成固定方向的波束，这个过程替代了传统机械扫描雷达的周期运动。由于是电子控制，相控阵雷达的更新周期可以达到毫秒甚至微秒，而机械扫描雷达的最多只能达到秒级。所以相控阵雷达相比机械雷达提高了扫描效率，也省去了传统机械结构的重量.图4：相控阵富达图I相控阵雷达的组成相控阵雷达的组成单元，分为发射系统、阵列天线和波控机、接收和

4、信号处理系统、中心计算机、数据处理和显示系统等。发射系统产生一定发射波形的高功率射频信号，馈送到所有天线单元，以便向空中辐射。中心计算机计算出规定波束指向的相邻单元的相位差，然后经波控机计算出每个辐射单元的移相器应有的相位并控制驱动器使移相器达到相位，从而使得天线波束准确指向规定的方向.每个天线单元接收来自目标的回波信号，经过相干相加、放大、检波后送给数据处理和显示系统.有源相控阵雷达与无源相控阵雷达的主要区别体现在组成天线阵面上的天线元件。有源相控阵雷达的每个天线元件都有独立的发射和接收装置（T/R组件），而无源相控阵雷达所有的天线元件用的是同一个T/R组件。由于相控阵雷达的天线元件数量可达

5、上千、甚至上万，因此从无源到有源发展，相控阵雷达的T/R组件用量大幅增加。例如：铺路爪AN/FPS-115有源相控阵雷达共有56个子天线阵，每个子阵都有32个T/R模块，共有1792个T/R模块.有源相控阵雷达的每个天线元件接收和发射信号都有单独的控制开关，当工作任务量不大的时候，可以只启动部分天线元件工作，从而降低雷达功耗，而无源相控阵雷达工作时必须要启动所有的天线元件，系统功耗相对较高。再者，有源相控阵雷达由于有多个收发器，可以同时执行多个任务，比如一边对空搜索一边引导导弹，而无源相控阵雷达只能同时执行单个任务，因此有源相控阵雷达在信息处理上更占优势。2.3 从模拟相控阵到数字相控阵ADC

6、/DAC芯片用量上升根据臻镭科技招股说明书：数字阵列雷达是根据波束形成机理、接收和发射波束均以数字方式形成的全数字化阵列天线雷达。数字相控阵和模拟相控阵最大的区别在于数字相控阵每个相控阵通道单元或模块配备等量的射频直采ADC/DAC,对于模拟阵，来自天线元件的信号经过加权和合并，产生一个波束，然后由混频器和信号链其余部分加以处理，整个模拟阵仅需要一个ADC和一个混频器。对于数字阵，每个元件的信号都被独立的数字化，需要为每个元件配备一个ADC和一个混频器。相控阵T/R组件数量可达上千甚至上万，带来ADC/DAC芯片数量用量大幅增加。数字相控阵能够实现海量多波束空间合成，具有波束快速扫描、空间定向

7、与空域滤波、空间功率合成能力等优点，可实现多目标探测和跟踪，可根据任务规划实现多目标多点侦直、干扰、探测、通信一体化实现。目前数字相控阵雷达在先进的机载、舰载、车载平台均都有一定的应用，如美军最新全电驱逐舰装备有SPY-6全功能数字相控阵雷达、F-35战机装备有AN/AGP-81全功能数字相控阵雷达、萨德陆基反导系统装备有AN/TPY-2中频数字相控阵雷达。3相控阵雷达的关键组件3.1 天线占有源相控阵雷达主要成本，未来向集成化方向发展根据雷电微力招股说明书，相控阵雷达主要由天线阵列、T/R组件、射频网络、电源及散热、变频及控制、AD/DA、基带、信号处理器、显示控制和雷达电源等组成。从产业链

8、角度看，上游主要为芯片、电源、软件、结构件等，中游为T/R组件、天线等组成的微系统，下游为雷达、导引头、通信等领域。有源相控阵天线由天线阵面、T/R组件、散热装置、信号调制器、波控器、结构件、电源及馈电网络等组成.根据国博电子招股说明书，一部有源相控阵雷达天线系统成本占雷达总成本的70%-80%相控阵天线阵面通常由几百个到几万个不等的通过相位控制的通道激励辐射单元构成。这些辐射单元可以是单个的波导喇叭天线、偶极子天线，贴片天线等。这些辐射单元分布于平面上，称为平面相控阵天线，分布于曲面上，称为曲面相控阵天线，如果该曲面与雷达安装平台外形完全一致，则称为共形相控阵天线。T/R组件包括TR腔体、P

9、CB板或LTCC板、软基片、功率放大器、低噪声放大器、移相器、串并转换、滤波器、温度补偿、射频接插件、以及低频接插件等。馈电网络包括收发共用馈线、发射功率分配网络，以及接收信号合成网络。通常情况下，需要在接收支路中增加驱动级低噪声放大器和在发射支路中增加驱动级功率放大器，以确保接收支路的增益和使发射支路的末级放大器推饱和，对于有单脉冲测角要求的，馈电网络还需要设计成和波束、方位差和俯仰差波束接收通道。波控器件的核心器件是FPGA,其主要功能是将终端控制命令计算成控制T/R组件内移相器的TTL/LVTTL电平，并生成移相码，从而改变天线阵面信号相位因子，完成有源相控阵天线的波束快速扫描。此外波控

10、器还可以具有电源分发的功能，从而实现给T/R组件内的芯片供电，并具备校准测试的配合执行功能。电源的主要功能是将直流电压转换成各个器件需要的电源值，即DC/DC转换，对于脉冲工作体制的天线，电源还需要信号调制器，从而实现连续波信号转换成脉冲信号。根据低成本有源相控阵天线研究，T/R组件在有源相控阵天线模块中的成本占比在40%-50%,是有源相控阵天线的核心组件04有源相投阵天线材料成本构成名称脉冲体制320阵元连续波体制144阵元接播件与电缆6.76.8%印制板5.6%7.5%射鬟芯片53.6%40.1%材料二次集成3.4%6.2%安装件8.8%II2微组装调试与浅试11.2%10%.：,槛Ib

11、员芍财宠昵虎衣：将庆会,低赢本我遮W校售火愎T丸.E包辽事相控阵天线主要有砖式和瓦式结构两种。砖式相控阵天线的元器件放置方向垂直于相控阵天线阵面孔径，T/R组件电路采用纵向集成横向组装（LITA）方式.砖式结构的体积大，采用金属盒体封装，通常会被安装到散热板背板上，便于良好散热，多应用于大功率输出场景。瓦片式相控阵天线将元器件放置方向平行于相控阵天线阵面孔径，面子阵电路采用横向集成纵向组装（TILA）方式,瓦片式相控阵采用分层结构，将芯片或电路集成在数个平行放置的瓦片上，辐射阵元采用易于共形的微带贴片天线，可以实现线极化或圆极化，集成度比砖式结构高，体积小，成本低，多用于超小型和共形雷达。由于

12、瓦式结构散热措施有限，主要用于小功率情况。未来装备的发展方向是高集成度、小型化，要求相控阵雷达系统尽可能向微型化发展。三维异构集成(SDheterogeneousintegration)微系统技术成为下一代高集成电子系统技术发展重要方向，三维组装和互联的相控阵微系统可有效解决有源相控阵雷达阵面体积庞大的问题，是未来替代现有砖块式和瓦片式T/R组件的有力解决方案。根据臻镭科技招股说明书，当前相控阵雷达T/R组件中的微波/毫米波SIP组件基本结构主要还是传统的平面设计，所有芯片都是通过焊接的方式水平化铺在PCB或者LTCC基板上。随着芯片数量和I/O引脚数的增加，芯片互联占用面积和信号传输长度与延

13、迟将会迅速增加，难以满足未来微波/毫米波SIP组件在高密度、高速互联、具有紧凑外观、可集成多种类型器件等方面的技术要求。另外，微波/毫米波SlP组件上面使用较多的模拟芯片，无法随摩尔定律成倍率地缩小.因此，2D封装的形式，无法显著缩小封装体积。三维异构集成式可将功能电路分解到硅基衬底或化合物材料衬底上,通过硅通孔实现高密度集成。该技术通过实现GaAs/GaN为代表的化合物芯片与硅基芯片的异构集成及纵向三维集成，可有效利用化合物半导体器件大功率、高速、高击穿电压优势的同时，发挥硅基电路的高速低功耗、芯片制造成本较低等优势，实现器件及模块性能的最大化，提高射频系统的集成度。3.2 T/R组件是有源

14、相控阵天线的核心组件有源相控阵T/R组件是指在雷达或通信系统中用于接收、发射一定频率的电磁波信号，并在工作宽带内进行幅度相位控制的功能模块，是有源相控阵雷达实现波束电控扫描、信号收发放大的核心组件。有源相控阵雷达T/R组件的性能参数直接决定相控阵雷达系统的作用距离、空间分辨率、接收灵敏度等关键参数。另外，有源相控阵雷达需要数量众多的T/R组件共同构成有源相控阵阵面，有源相控阵T/R组件的性能也进一步决定了有源相控阵系统的体积、重量、成本和功耗。图17：有源相控阵雷达系统结构示意图相控阵雷达系统接收佶号*出蛆件TR解件tin行业强专助裾T/R组件主要由数控移相器、数控衰减器、功率放大器、低噪声放

15、大器、限幅器、环形器以及相应的控制电路、电源调制电路组成。在发射模式下，有源相控T/R组件的控制器接收雷达的定时信号，将所有T/R开关调至发射通道，射频激励源传输的信号经移相器、衰减器、T/R开关和功率放大器进行幅度相位调整和放大，送至天线辐射单元.发射完信号后，雷达信号驱动控制器将T/R开关调至接收通道,天线将接收到的信号经低噪声放大器放大以及幅度相位调整后送往接收机。T/R芯片是相控阵雷达的核心元器件。T/R芯片被集成在T/R组件中，负责信号的发射和接收并控制信号的幅度和相位，实现雷达的波束赋形和波束扫描，其指标直接影响雷达天线的指标，对整机性能也有着至关重要的作用。根据诚昌科技招股说明书

16、，T/R芯片按照功能分类可分为放大器芯片、幅相控制类芯片和无源类芯片。放大器类芯片主要包括功率放大器芯片、驱动放大器芯片、低噪声放大器芯片、收发多功能放大器芯片等；幅相控制类芯片包括数控移相器芯片、数控衰减器芯片、数控延时芯片、模拟波束赋形芯片等；无源类芯片主要包括开关芯片、功分器芯片、限幅器芯片等.T/R芯片的主要供方包括中国电科13所、中国电科55所、钺昌科技等。中国电科13所成立于1956年，是我国重要的高端核心电子器件供应基地、半导体新器件新技术创新基地，根据中瓷电子招股说明书披露，截至2020年6月30日，中国电科13所总资产约120亿元，2020年上半年净利润约4.55亿元.中国电科55所成立于1958年，是我国大型电子器件研究所，具有从材料、芯片、器件到模块组件的完整产业