天下烏鴉一般黑

KLJ-7A有源相控陣雷達家族

“KLJ-7A”的樸素與奢華

《現代兵器》雜誌曾有幸採訪了中電科14所徐健（KLJ-7A副總設計師），徐建副總師在訪談中這樣描述“KLJ—7A”：

在小批雷達成功交付後，外方基於獲得技術進步的想法，後續的雷達採購採取合作生產方式進行；
KLJ-7A雷達的技術層次與美國F-22隱身戰機的APG-77雷達不相上下，在功能上不遜於F35使用的AN/APG-81型雷達；
KLJ-7A的最大優勢在於它的額定功率不變情況下的“低功耗”。其電源與冷卻單元能夠靈活的適應於現役飛機的液冷、風冷截然不同的冷卻方式。中電科14所甚至可以為其量身定制專門的小型液冷單元。整體而言，KLJ-7A結構設計緊湊，具有非常好的載機平台適裝性；
KLJ-7A雷達作為一款最新技術的雷達系統，擁有上千個T/R組件，雷達雖然功耗低，但整體功率在國際上處於較高水平。KLJ-7A雷達可實現多種波形與不同種類目標交戰，雷達的自由度高、帶寬更廣，多模工作不會相互干擾，同時抗干擾能力大幅提升，能夠同時應對多個乾擾源；
KLJ- 7A雷達與計算機系統採用光纖傳輸信息，整體反應速度快，探測距離是傳統雷達的2倍，能夠同時跟踪多批次目標，並引導打擊。多目標的打擊能力主要取決於載機的載彈數量，以及載機內部空間是否允許容納下處理能力更強的分佈式計算機系統。
KLJ-7A具備高可靠性和便捷的可維護性，雷達的平均故障間隔時間非常長，例行檢查自動化程度高（不打開雷達罩即可進行自檢）。模塊化插裝式設計，維修也非常方便，地勤人員10～15分鐘便可完成拆裝作業。
徐副總師的訪談透露出來的信息及其耐人尋味：其中“小批雷達交付”這種說法，印證了2018年珠海航展上，巴基斯坦JF-17銷售軍代表向某些國家軍購團推銷“JF -17 Block II”時，提到的“有一小部分JF-17 Block II上已經安裝了，神奇的、能夠轉動的小圓片式相控陣雷達”的說辭。

由此可見，2019年7月在土耳其進行的軍演的第二階段，一架梟龍起飛8分鐘後，就將一架美軍F-15E戰鬥機鎖定，此後更是將土耳其的F-16V戰鬥機完全壓制（模擬對抗視頻土耳其公佈過）的傳聞，應該是確有其事。

有源相控陣雷達的“魚與熊掌”

徐副總師在訪談中提到KLJ-7A兩大優點：①技術層面與APG-77無代差，功能層面與AN/APG-81相類似；②低功耗、高功率，可兼容液冷與風冷模式，擁有專門開發的小型化液冷單元；

眾所周知，在微波（射頻）大功率半導體材料中，主流半導體材料是砷化鎵（GaAs）。滿足微波（射頻）高頻頻段應用的功率放大核心器件，主要是基於砷化鎵材料的HFET（高電子遷移率晶體管）和PHEMT（贗調製摻雜異質結場效應晶體管）器件。由於砷化鎵材料的高溫特性局限，要滿足正常工作，其溫控必須在100+攝氏度範圍內，否則無法正常工作，甚至會“燒毀”元器件。

有源相控陣雷達（AESA）的工作頻率與微波（射頻）頻率存在相互重疊，其功率放大環節有類似之處。有源相控陣雷達的T/R模塊的功率利用率在30%左右，絕大多數的能量需要轉換成熱量散失。因此，上千個T/R單元工作時，其需要散失的熱量會非常大。在有限的空間內，要滿足100+攝氏度的溫控要求，就需要高效的冷卻系統。

美國F22A隱身戰機裝載的APG-77有源相控陣雷達以砷化鎵（GaAs）半導體工藝為主。因此，“APG-77”要具備高功率，就必須擁有結構複雜、極佔空間的液冷裝置。

那麼，KLJ-7A有源相控陣雷達要同時具備低功耗、高功率、小型化的優點，採用與“APG-77”相同的半導體材料絕無可能實現。因此，“KLJ-7A”要想同時滿足“低功耗、高功率、小型化”，在選擇半導體材料方面，只能使用比砷化鎵特性更加優異的第三代半導體材料——氮化鎵（GaN）。

神奇的“氮化鎵”

氮化鎵是由氮、鎵構成的硬度較高的化合物，具有“直接能隙”特性的半導體材料，適合於製作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，也被稱為高溫半導體材料。

氮化鎵相對於砷化鎵，具有禁帶寬度更大、擊穿電場更高、電子飽和漂移速度更高的特點。對於高頻率信號的響應特性更優異，其在高功率放大器的設計、生產及運行中有無法抗拒的優勢。

在加熱狀況下，利用氮化鎵晶體管製造的微波（射頻）頻率有效功率放大器，其射頻功放的功率是砷化鎵的5倍，這就能實現射頻組件尺寸不增大的情況下，總功率能大幅度提高。對於有源相控陣雷達來說，這無疑能提高探測性能。

氮化鎵半導體元件的正常工作溫度範圍在25~300攝氏度之間，相對於砷化鎵的100+攝氏度的上限，可謂翻了一番。這就意味著，使用氮化鍺製造的射頻功放半導體器件在“冷卻系統”方面，不需要像砷化鎵那麼“嚴苛”!這也就讓液冷小型化、獨立風冷、液冷與風冷混合模式成為可能……

在第三代半導體材料中碳化矽（SIC）也有及其重要的地位。碳化矽與氮化鎵都具有禁帶寬度大、導熱率高的特性，但兩者的應用領域各有不同：碳化矽適合高於1200V的高電壓大功率應用；GaN器件更適合於40~1200V的高頻應用。所以，碳化矽更適合應用於新能源汽車、快速充電等領域。
氮化鎵，當今微波（射頻）領域半導體材料工藝的王者

在微波（射頻）半導體器件產品中，主要包括功率放大器（PA，多用於激發端）、低噪聲放大器（LNA，多用於接收端）、開關器、單片微波集成電路（MMIC）等，這些均是基站、衛星、雷達設備中不可獲取的組成部分。

微波（射頻）半導體領域主要有三種工藝，即，基於矽（Si）的LDMOS、砷化鎵和氮化鎵工藝。LDMOS器件在頻率特性上有局限，最高有效頻率很難突破3GHz，砷化鎵器件的局限主要在功率方面，很難突破50W。氮化砷半導體器件不但彌補了LDMOS、砷化鎵器件這“兩個方面”的特性短板，同時在這“兩個方面”均有突破性表現，並且耐用性與實用性更好。

氮化鎵的高擊穿電壓、高電流密度、高過渡頻率、低導通電阻和低寄生電容的特性，是氮化鎵器件具有高輸出功率、寬帶寬、高效率、低功耗的保證：

在3.5GHz以及更高頻率下，氮化鎵PA器件相對於砷化鎵器件，其有效功率提高接近5倍。
在某些條件下，氮化鎵PA器件在100W輸出功率下，其平均效率轉化率達到50％~60％。這是氮化鎵器件低功耗一個原因。
氮化鎵器件具有直接在芯片微電路中獲取電能，實現高功率密度的特性，因此電路設計簡化，利於縮小集成電路的空間尺寸。因此，氮化鎵的大規模MIMO系統可以更緊湊。這是氮化鎵器件低功耗的另一個原因。
氮化鎵PA器件的低功耗和氮化鎵材料的高導熱率特性，能夠滿足較高溫度下，氮化鎵PA器件的可靠運行。因此，散熱系統更小，結構更簡單（同時也讓外部空間更加緊湊）。
隨著微電子製造技術的不斷發展，氮化鎵器件在微波領域的表現更加耀眼。以0.25微米製造工藝為例，氮化鎵器件頻率遠超3.5GHz，甚至達到其4倍，帶寬增加20%，功率密度可達6~8W/m，且無故障工作時間可達100萬小時。

LDMOS、砷化鎵半導體工藝曾經是世界列強構築高科技領域壁壘、扼制發展中國家通往信息化高科技道路的一把利劍。同時，LDMOS、砷化鎵被世界列強視為“高科技紅利”，是用以掠奪、攫取發展中國家珍貴資源與金錢的“金鑰匙”！

氮化鎵材料的出現，無疑成為打破了世界列強利用LDMOS、砷化鎵工藝築起的“高牆”的契機。隨著中國的砷化鎵材料工藝諸多環節被逐步攻克，讓中國高科技領域實現“彎道超車”成為可能……
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