氮化鎵器件帶來的技術(shù)革命

吳曉鷗+岳松堂

為了應對新的戰(zhàn)爭，美軍目前正在研發(fā)一系列新型、先進的陸基雷達。這一輪研發(fā)的主要特點，是以氮化鎵器件為基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)的砷化鎵半導體相比，氮化鎵器件提高了處理速度，并且能在一個硅片中融入多種功能。砷化鎵器件的發(fā)射/接收裝置需要把低噪聲放大器、移相器、功率放大器、轉(zhuǎn)換器配置在不同的模塊上。而采用氮化鎵技術(shù)后，所有這些組件都可安裝到一個單獨的硅片上。與砷化鎵模塊相比，氮化鎵還有一項重要的優(yōu)勢是耐熱性。砷化鎵模塊的溫度上限大約在150℃。據(jù)某些研究稱，更小巧的氮化鎵模塊能耐受超過2500℃的高溫，因此需要很少的有源冷卻。

因此，總體來說小巧的氮化鎵模塊帶來了雷達體積和功耗的大幅度下降，大大降低了雷達的使用成本，提高了使用性也帶來了美國軍方的采購需求。

低層防空反導傳感器

為了升級或替換當前陸軍“愛國者”系統(tǒng)裝備的目標攔截相控陣跟蹤雷達，美國陸軍低層防御項目辦公室于2016年7月中旬發(fā)布了一份信息征求書，研制一種稱為低層防空反導傳感器（LTAMDS）的雷達，希望工業(yè)部門能提供在2028財年前形成初始作戰(zhàn)能力的可行性研究。

根據(jù)需求計劃，競標者們提出的LTAMDS方案要在2017財年第4季度至少達到技術(shù)成熟度5和制造成熟度5，才能滿足項目采辦的要求。進入項目采辦后，要經(jīng)歷技術(shù)成熟度和風險降低階段、工程與制造研發(fā)階段、生產(chǎn)和列裝階段。美國陸軍計劃在風險降低階段簽訂一份固定的、根據(jù)研發(fā)程度而定價的合同。

LTAMDS不但要升級或替換當前的“愛國者”雷達，還要對新的威脅目標有更好作戰(zhàn)效果，并降低使用成本。陸軍將在10年內(nèi)采購或翻新80部雷達，單套產(chǎn)品的平均價格不超過5000萬美元，包括升級配套元件、雷達的集成以及試驗開支。

為了能在美國陸軍的一體化防空反導網(wǎng)中作業(yè)，LTAMDS方案要滿足以下條件：能夠?qū)?015年3月12日更新的最新版陸軍防空反導系統(tǒng)威脅評估報告中所列的威脅目標，進行監(jiān)視、分類、鑒定和識別；具有火控功能，至少能夠支持“愛國者”PAC-3這類攔截彈；能使用陸軍現(xiàn)有的發(fā)電機（最大功率300千瓦）；滿足現(xiàn)有的機動性和運輸性需求；改善可靠性、有效性和可維護性；促使國防部體系結(jié)構(gòu)框架辦公室進行軟件體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)。

在2017財年預算中，陸軍申請了3513.2萬美元來啟動方案與工程活動。陸軍還會利用這些經(jīng)費對“愛國者”天線發(fā)射機的升級和性能指標進行需求分析，以及對軟件和硬件進行需求分配。接下來將進行有源相控陣微縮樣機天線的研制計劃和演示，然后是全尺寸LTAMDS 天線的初步設(shè)計評估。

洛-馬公司（為陸軍研制了AN/ TPQ-53雷達）和雷聲公司（為陸軍研制了“愛國者”防空反導系統(tǒng)）均打算參加LTAMDS 的研制。

洛-馬公司對這單合同擺出了勢在必得的態(tài)度。該公司稱，它是唯一一家為陸軍生產(chǎn)有源相控陣雷達的公司，并且是唯一生產(chǎn)和出口氮化鎵（GaN，被稱為第三代半導體材料，是微波功率晶體管的優(yōu)良材料）器件AESA雷達的美國公司。該公司研制了一系列高水平雷達，如中遠程防空系統(tǒng)雷達、“空間柵欄”雷達、遠程識別雷達、AN/TPQ-53固態(tài)相控陣雷達、“宙斯盾”系統(tǒng)雷達。

洛-馬公司任務系統(tǒng)與訓練部副部長黑克斯稱，打算在LTAMDS上采用一些成熟技術(shù)，但要做一定修改。黑克斯還表示，洛-馬公司在研發(fā)速度方面具有優(yōu)勢，如TPQ-53有源相控陣雷達項目，而“曾有一種大型雷達，從概念的提出到交付、驗證直到最終的交易，共耗費了7年的時間”。

升級“愛國者”雷達

雷聲公司也不甘示弱。盡管LTAMDS計劃才剛剛開始，但在過去幾年中，雷聲公司已經(jīng)穩(wěn)步地對“愛國者”系統(tǒng)進行了升級和試驗。2014年，該公司曾演示過在“愛國者”防空反導雷達上采用AESA和氮化鎵技術(shù)。這項實驗取得了成功。它可以用于所有現(xiàn)役“愛國者”系統(tǒng)雷達，并能升級到360°覆蓋，包括朝向前方的主陣列，朝向后方的2個較小的四分之一扇面陣列。新的雷達結(jié)構(gòu)布局已經(jīng)在該公司位于新罕布什爾州的雷達測試場進行了測試。

美國陸軍還沒有正式訂購這種改進方案，但美國政府已經(jīng)批準雷聲公司向13個部署了“愛國者”的國家出口該雷達。2015年11月，雷聲公司稱，已經(jīng)制定了向波蘭進行對外軍售的細則，波蘭將成為首個接收采用氮化鎵和AESA升級版“愛國者”雷達的國家。

認識到氮化鎵和AESA技術(shù)應用于“愛國者”雷達的優(yōu)點后，2016年初，美國陸軍在2017財年預算中申請了3513.2萬美元，用于研究與開發(fā)如何用這兩類技術(shù)改進自身裝備的基本型“愛國者”雷達，取代原先的無源相控陣天線。

在陸軍2017財年的預算案中有這樣的描述：“氮化鎵技術(shù)改變了AESA天線的結(jié)構(gòu)布局，擴大了雷達的覆蓋范圍，因此能使‘愛國者PAC-3導彈增強型最大限度地發(fā)揮作用，以攔截威脅目標?！眅ndprint

2016年7月，美國陸軍進行了“愛國者”列裝后改型版（PDB-8）的最后一次演示試驗，也是陸軍在2017年開展作戰(zhàn)試驗與評估的最后一次試驗。PDB-8有許多先進之處，如雷達數(shù)字處理器。這是一種耐用的、全數(shù)字式商用處理器，降低了“愛國者”的使用和維護成本，并將可靠性提高約40%。PDB-8使美陸軍首次配備了現(xiàn)代化人員工作站，即一個擁有彩色液晶顯示屏、觸摸屏幕和軟鍵盤的用戶接口。

反火箭彈、炮彈和迫擊炮彈

（C-RAM）和反無人機系統(tǒng)

前文說到的AN/TPQ-53反火力雷達，其所探測的目標沒有那么高大上，但對一線部隊有著更加現(xiàn)實的意義。

隨著無人機技術(shù)在全世界的擴散，美軍越發(fā)認為，自己需要充足的手段來反制潛在對手可能裝備和使用的無人機，尤其是小型無人機。

2014年，美國陸軍航空與導彈研究、開發(fā)與工程中心（AMRDEC）發(fā)布了一項反無人機武器系統(tǒng)的RFI，對多種用于反無人機系統(tǒng)的技術(shù)方案進行了分析。美國陸軍精確火力與反無人機系統(tǒng)項目經(jīng)理布萊姆萊特稱：“要依據(jù)作戰(zhàn)規(guī)則對威脅目標做出反應，要確定威脅目標的意圖、所保護設(shè)施的價值和重要性、所涉及的法律和政策問題、可能產(chǎn)生的誤傷和附帶損傷?！?p>

由于各類無人機的控制方式不同、尺寸不同、使用意圖也不同，因此反無人機所面臨的挑戰(zhàn)也不同?！靶⌒蜔o人機可能會有廣泛的用途，基本上無需對操作手進行訓練，如果有臨時需求，可實施計劃外發(fā)射和飛行。而且，小型無人機的技術(shù)水平還在不斷提高，因此必須在技術(shù)、條令和政策上做出更新”。

RFI發(fā)布后，又舉行了反無人機工業(yè)日，召集工業(yè)界人士，為美國陸軍訓練與條令司令部提供有關(guān)數(shù)據(jù)。美軍打算基于這些信息展開實驗，通過實驗將概念融入到條令中去。根據(jù)實驗，訓練與條令司令部針對旅以下級別的反無人機能力起草了一份需求文件草案。文件修訂完成后，將向工業(yè)部門發(fā)布RFP。

軍隊的需求就是工業(yè)部門的動力。有多家美國公司已經(jīng)開始研發(fā)反無人機能力。例如，SRC公司研制了“無聲弓箭手”反無人機系統(tǒng)，有機動作業(yè)和固定作業(yè)兩種模式?！盁o聲弓箭手”參加了陸軍的一系列演習評估活動，包括2015年8月聯(lián)合一體化防空反導局的“黑鏢”演習。2014年6月，RADA公司宣布美國海軍研究辦公室的陸基防空機動定向能研發(fā)項目已經(jīng)選擇了該公司的RPS-42戰(zhàn)術(shù)級監(jiān)視雷達系統(tǒng)，提升海軍陸戰(zhàn)隊應對新型低空飛行的威脅目標（尤其是無人機）的能力。

RADA公司稱：“RPS-42系統(tǒng)的特點是能夠探測到特別小的、低空、慢速飛行的無人機（被認為是機動部隊面臨的典型戰(zhàn)術(shù)威脅），而現(xiàn)有的多數(shù)防空雷達是無法探測到這些目標的?！彼軠蚀_地跟蹤威脅目標至很高的仰角，并且能夠機動作業(yè)。

但是對于美國陸軍來說，如果想在最低級別的近程防空的所有區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)反無人機能力，就要考慮新成立專門的部隊。這在奧巴馬政府時期的軍費預算背景下是不現(xiàn)實的。

2016年8月，美國國防高級研究計劃局收到了來自工業(yè)部門和學術(shù)界為機動部隊提供分層防護（包括反無人機系統(tǒng)能力）的反饋意見。RFI的發(fā)布是為了應對越來越多的小型無人機系統(tǒng)所帶來的威脅。這些系統(tǒng)造價低廉，可通過商業(yè)渠道獲得，并且很容易改裝成攻擊平臺，給戰(zhàn)爭帶來新的不對稱威脅。美國陸軍希望通過該項目探尋一種綜合探測能力，包括多種傳感器的使用。具體到雷達上，則希望通過改進現(xiàn)役雷達來實現(xiàn)。布萊姆萊特稱：“如果現(xiàn)役雷達不能滿足需求，才會考慮在部隊編制中增加新的雷達。再增強幾種其他的傳感器協(xié)同工作，以探測、識別和攻擊目標?！?/p>

在現(xiàn)役雷達中，TPQ-53就是最好的改進對象。早在2012年10月，洛馬公司首次宣布將為TPQ-53雷達增加空中監(jiān)視模式。其實TPQ-53一直具有空中監(jiān)視功能，只是之前沒有提出這方面的能力需求。美國陸軍的TPQ-53雷達操作員接收的并不是全部數(shù)據(jù)，而是把空中監(jiān)視數(shù)據(jù)過濾掉了。增加空中監(jiān)視模式，硬件不需要做任何改變，只需增加一個軟件，使雷達快速地從反火力模式轉(zhuǎn)為空中監(jiān)視模式。這種模式下，TPQ-53能夠識別和跟蹤無人機，并將數(shù)據(jù)中繼到指揮控制節(jié)點。

2016年5月在俄克拉荷馬州的希爾堡舉行了“綜合機動火力演習2016”。其中，TPQ-53雷達識別并跟蹤了多架無人機，將數(shù)據(jù)提供給前方地域防空指揮控制（FAAD C2）節(jié)點。與此同時，TPQ-53還提供了有關(guān)火箭彈、炮彈和迫擊炮彈的跟蹤數(shù)據(jù)。

受此鼓舞，2016年8月，美國陸軍宣布將評估為AN/TPQ-53雷達增加反無人機能力的可行性。根據(jù)性能指標要求，新能力的引入不能影響到雷達的反火力能力，不能增加人員，不能改變波形。除探測和跟蹤無人機外，還要能夠?qū)o人機進行分類。

美國陸軍計劃為10部TPQ-53雷達增加反無人機能力，并引入一種現(xiàn)成的敵我識別系統(tǒng)。根據(jù)目前的計劃，改進后的雷達將在2018年6月列裝。endprint

地面/空中任務專用雷達

2016年9月6日，諾斯羅普·格魯曼公司宣布，該公司接到了來自美國海軍陸戰(zhàn)隊的地面/空中任務專用雷達的一份附加低速初始生產(chǎn)合同，共生產(chǎn)9部。這份合同是G/ATOR（AN/ TPS-80）系統(tǒng)采用氮化鎵發(fā)射-接收（T/R）模塊后的首個訂單。

諾斯羅普·格魯曼公司于2017年開始交付首批6部低速初始生產(chǎn)的砷化鎵（GaA）G/ATOR雷達，將用于支持G/ATOR在2018年形成初始作戰(zhàn)能力階段1和階段2的試驗和列裝。2018年開始交付另外3部雷達，用于初始作戰(zhàn)試驗與評估。

該公司目前的G/ATOR中使用砷化鎵半導體，在天線陣列中共有659個發(fā)射-接收模塊。氮化鎵半導體更小、更輕，雷達需要的發(fā)射-接收模塊也相對較少，因此消耗的能量也少，系統(tǒng)的重量減輕了，降低了整個生命周期成本。

G/ATOR是一種S波段（2～4兆赫）多功能有源相控陣雷達，結(jié)合了多種傳統(tǒng)陸基雷達的功能，具有空中監(jiān)視、空中交通管制和近程防空的能力，且具有炮兵定位雷達的功能，替代了陸戰(zhàn)隊的5種傳統(tǒng)雷達。

美國海軍陸戰(zhàn)隊原計劃采購57部G/ATOR，但目前的經(jīng)費只能采購45部。在全速生產(chǎn)階段每年最多采購8部。

G/ATOR項目副經(jīng)理巴恩黑爾稱：“G/ATOR的采辦戰(zhàn)略一直是首先研制硬件和階段1的軟件。初始階段研制的硬件將支持所有的任務，而軟件在每個階段都可增加?！卑凑者@一戰(zhàn)略，G/ATOR已經(jīng)開始了軟件的階段2開發(fā)工作。剛剛結(jié)束了階段2的關(guān)鍵設(shè)計評審，計劃于2017年底開始階段2的試驗。

巴恩黑爾稱：“與項目之初相比，G/ATOR現(xiàn)在可執(zhí)行多種任務。美國海軍陸戰(zhàn)隊和其他軍種多次表示他們對G/ATOR的潛在使用感興趣，希望它能執(zhí)行其他任務，但截至目前還都處于探索階段?！?/p>

AN/TPY-2雷達

美國導彈防御局發(fā)言人馬丁稱，雷聲公司的高分辨率、機動、可快速部署的AN/TPY-2 X波段雷達，是美國彈道導彈防御系統(tǒng)的組成部分，目前正在進行識別能力的升級，以提高應對不斷升級的威脅目標的效能和適應性。

馬丁說：“升級的目標是增強系統(tǒng)對再入彈頭的識別能力和毀傷能力，提高成功概率。升級工作包括為X波段雷達開發(fā)動態(tài)識別體系結(jié)構(gòu)和雷達識別先進算法、為AN/TPY-2雷達開發(fā)可選X波段軟件，以應對不斷升級的威脅目標?！?/p>

此外，AN/TPY-2雷達還正在進行老舊部件更新和可靠性升級計劃。期間它們將接收重新設(shè)計的部件，從而提高雷達的可靠性和可操作性。

AN/TPY-2雷達有兩種工作模式：在系統(tǒng)中采用前沿部署模式；在末段高空區(qū)域防空（即“薩德”）系統(tǒng)中采用末端部署模式，作為搜索、探測、跟蹤、識別和火控雷達使用。

截至目前共采購了12部AN/ TPY-2雷達。軍種和作戰(zhàn)司令部部署了5部前沿部署模式的AN/TPY-2雷達，分別部署在日本（2部）、以色列、土耳其、美國中央司令部的作戰(zhàn)區(qū)，由導彈防御局提供后勤支持。

在關(guān)島部署了1部采用末端部署模式的AN/TPY-2雷達。美國本土部署了5部AN/TPY-2雷達，用于支持“薩德”連，還有1部正在參加BMDS試驗。作為導彈防御局首個對外軍售的一部分，為阿聯(lián)酋生產(chǎn)了2個“薩德”連（包括TPY-2雷達）。

2015年2月，雷聲公司宣布已交付了用于AN/TPY-2的首個升級的電子裝備單元的計算機處理器，升級提升了雷達從雜波中識別導彈威脅的精度和速度。

3D遠征遠程雷達

延誤了2年多之后，美國空軍于2016年7月發(fā)布了修訂后的3D遠征遠程雷達方案征求書。合同內(nèi)容將包括3D ELRR系統(tǒng)的工程、制造與研發(fā)，低速初始生產(chǎn)，暫時的承包商支持，以及全速生產(chǎn)。合同預計將于2017財年第2季度簽訂。

該雷達將作為美國空軍主要的陸基傳感器，用于遠程監(jiān)視、探測和跟蹤空中目標，以支持戰(zhàn)區(qū)指揮官。它將替換諾斯羅普·格魯曼公司的AN/ TPS-75雷達，因為這種老式雷達已經(jīng)不能探測不斷升級的威脅目標，并且即將達到服役年限。

AN/TPS-75雷達將于2028年被完全取代。美國空軍原本希望在2016年3月底或4月初簽訂合同，但這個項目如今陷入了法律糾紛。

2012年8月，美國空軍選定了分別由洛馬公司、諾斯羅普·格魯曼公司和雷聲公司牽頭的3個團隊。3家公司分別有不同的競標方案：洛-馬公司的L波段雷達，諾斯羅普·格魯曼公司的S波段雷達和雷聲公司的C波段雷達。2014年10月，美國空軍與雷聲公司簽訂合同。該項目就自當時與雷聲公司簽訂的定價激勵合同額為1900萬美元，包括在初始EMD階段提供3部雷達。全部合同（包括所有研發(fā)事項）的潛在價值為7180萬美元，將再采購3部雷達。

為此，洛馬公司和諾斯羅普·格魯曼公司一起對美國空軍的決定向政府問責辦公室提出上訴。經(jīng)過調(diào)查，在2014年10月21日頒布中止工作禁令，美國空軍只好同意采取糾正措施。

空軍原本希望于2015年初發(fā)布新的方案征求書。然而，2015年1月27日，雷聲公司向美國聯(lián)邦賠償法院提出法律訴訟，試圖駁回美國空軍采取糾正措施的決定。5月，法院支持了空軍的決定，空軍實施了糾正措施。雷聲公司于2015年7月29日又向美國聯(lián)邦巡回上訴法院提起訴訟。10月，法院駁回了雷聲公司的訴訟，才使美國空軍再次開始推進3D ELRR的采辦進程。endprint

3D ELRR還參與了國防部的“防御輸出能力特征輔助計劃”，該計劃致力于將裝備從理念提出到能力輸出的過程，作為采辦系統(tǒng)的一部分，以縮短研制周期并節(jié)約開支。

遠程識別雷達和TPY-X雷達

2015年10月，洛-馬公司接到一份價值7.84億美元的合同，研制一種S波段遠程識別雷達，并實施相關(guān)的測試和使用維護工作。這種雷達用于中段彈道導彈防御，可以監(jiān)視所有飛行段的威脅目標，并為攔截提供數(shù)據(jù)。根據(jù)計劃安排，從2017年開始，要進行軟、硬件的開發(fā)和組件的生產(chǎn)，直到2019年。

導彈防御局發(fā)言人約翰遜稱：“該雷達將于2019和2020年在阿拉斯加州的克利爾空軍基地進行測試。飛行試驗計劃在2021財年的第3季度進行”。試驗結(jié)束后，將開始列裝。它同樣采用氮化鎵技術(shù)和固態(tài)有源相控陣列，將用于跟蹤和識別太平洋區(qū)域的遠程彈道導彈目標。研制成功后，雷達將作為彈道導彈防御系統(tǒng)的組成部分，在導彈防御局的指揮、控制、戰(zhàn)斗管理和通信系統(tǒng)內(nèi)工作。

洛-馬公司C4ISR部的副總裁史密斯在2016年8月的防空反導論壇上說，洛-馬公司正力爭在2016年底將LRDR結(jié)合到BMDS體系中去。

防空反導論壇上，洛-馬公司還展示了其最新型雷達產(chǎn)品，命名為TPY-X。目前有關(guān)這種新型雷達的信息還很少，洛-馬公司的網(wǎng)站上描述：“TPY-X包含了該公司當前所有產(chǎn)品的任務能力。為了增強雷達的性能，應對不斷涌現(xiàn)的威脅目標，洛-馬公司的下一代遠程多任務雷達系統(tǒng)將進行大規(guī)模的技術(shù)投資（包括氮化鎵）。還將為現(xiàn)有產(chǎn)品安裝升級的技術(shù)組件。TPY-X采用模塊化組件，易于根據(jù)作戰(zhàn)需求進行組合，有固定和高機動兩種模式。可用C-130、C-17、卡車、火車或直升機運輸。”

洛-馬公司雷達產(chǎn)品研發(fā)部主管哥萊特稱，TPY-X具備用于升級“愛國者”雷達的潛力。新型L波段雷達采用模塊化組件和現(xiàn)代數(shù)字化體系結(jié)構(gòu)，是一種配有數(shù)字波形，并使用氮化鎵半導體的分布式體系結(jié)構(gòu)。它適用于探測小型目標并執(zhí)行其他任務。該雷達還用于出口，這意味著它將成為目前在全球范圍內(nèi)使用的洛-馬公司雷達（如FPS-117、TPS-77和TPS-59）的下一代替換產(chǎn)品。TPY-X已經(jīng)通過了室內(nèi)和室外測試，洛-馬公司目前正在編制該雷達的操作手冊和畫圖。