幾個月前，媒體紛紛報(bào)道了一則消息：自2023年8月1日起，中國將開始對鎵和鍺兩種重要金屬實(shí)施出口管制，以保護(hù)國家安全和利益。這一舉措讓許多人突然意識到，中國已成為全球鎵和鍺最大的出口國，而這一點(diǎn)似乎是在不知不覺中發(fā)生的。

        據(jù)中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所2020年的一份報(bào)告指出，全球鎵的儲量大約為23萬噸，而中國的鎵儲量位居世界首位，占全球總儲量的80%-85%。此外，中國的鎵產(chǎn)量也占據(jù)了全球產(chǎn)量的90%至95%。鎵的化合物，如砷化鎵和氮化鎵，在制造相控陣?yán)走_(dá)方面具有重要應(yīng)用。近年來，曾經(jīng)高端的相控陣?yán)走_(dá)在中國逐漸變得更加普及，這篇文章將探討相控陣?yán)走_(dá)在中國民用領(lǐng)域的普及過程。

        要理解“有源相控陣”這個概念，我們需要從兩個方面來解釋：首先是“有源”，其次是“相控陣”。

        讓我們來簡化一下“相控陣”雷達(dá)的概念：它是一種利用電磁波相位控制技術(shù)的雷達(dá)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的機(jī)械掃描雷達(dá)形成對比。相控陣?yán)走_(dá)通過調(diào)整電磁波的相位差，利用干涉原理來控制波束的發(fā)射方向。

        至于“有源”一詞，它是相對于早期的“無源”相控陣?yán)走_(dá)而言的。在無源系統(tǒng)中，所有的小單元都由一個中央放大器來控制信號強(qiáng)度，這種結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)在于，一旦雷達(dá)受損，整個系統(tǒng)可能失效。此外，統(tǒng)一分配的信號強(qiáng)度限制了功能和靈活性。相比之下，有源相控陣?yán)走_(dá)就像是蜻蜓的復(fù)眼，由眾多獨(dú)立的收發(fā)單元組成，每個單元都有自己的放大器，這些單元被稱為T/R模塊。每個T/R模塊接收到的信號都是微弱的，但它們可以根據(jù)需要放大信號。這種設(shè)計(jì)使得每個T/R模塊都能獨(dú)立工作，使得雷達(dá)系統(tǒng)能夠執(zhí)行多種功能。

        在過去的時代，“有源相控陣”技術(shù)一直是國內(nèi)大眾眼中充滿神秘色彩的高科技產(chǎn)物，確實(shí)，這一技術(shù)曾僅為歐美軍隊(duì)的先進(jìn)艦艇配備，如美國海軍的“阿利·伯克”級導(dǎo)彈驅(qū)逐艦，它們配備了先進(jìn)的AN/SPY-6(V)型空中搜索雷達(dá)，這體現(xiàn)了有源相控陣技術(shù)的高價值和技術(shù)門檻。這項(xiàng)技術(shù)的掌握難度大，即便技術(shù)上有所突破，其廣泛應(yīng)用也面臨著重重挑戰(zhàn)。然而，近幾年來，細(xì)心的軍事觀察者可能會發(fā)現(xiàn)，與歐美艦艇僅裝備少量相控陣?yán)走_(dá)的做法不同，中國海軍的艦艇普遍安裝了相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)。

        在民用領(lǐng)域，關(guān)于有源相控陣技術(shù)的應(yīng)用，最早引起公眾廣泛關(guān)注的新聞出現(xiàn)在2022年，那就是關(guān)于“我國農(nóng)民利用有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)防治野豬破壞”的報(bào)道。

2022年，野豬還是受到三級保護(hù)的動物，但隨著我國生態(tài)環(huán)境的快速恢復(fù)，野豬數(shù)量激增，在一些地區(qū)甚至出現(xiàn)了泛濫的情況，這對當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的生活造成了嚴(yán)重影響。為了抵御野豬的侵襲，一些地區(qū)采取了人員巡邏驅(qū)趕的措施，但這種方法既耗費(fèi)人力物力，又效果有限。因此，如果能有一種全自動化的設(shè)備來驅(qū)趕野豬，將極大地減輕農(nóng)民的負(fù)擔(dān)。

       市場需求催生了創(chuàng)新的解決方案。在國內(nèi)，一些公司已經(jīng)開發(fā)出了滿足村民需求的設(shè)備，這就是我們故事的主角——民用有源相控陣?yán)走_(dá)。

        這款雷達(dá)是由英飛睿公司推出的，型號為S5000。它采用了Ku波段（12-18GHz頻段）的脈沖多譜勒技術(shù)，原本設(shè)計(jì)用于識別、追蹤和鎖定移動車輛、無人機(jī)、船只或行人等目標(biāo)。通過調(diào)整參數(shù)，技術(shù)人員使S5000能夠有效地鎖定野豬。S5000的重量僅為15公斤，能夠監(jiān)控10公里范圍內(nèi)的100個目標(biāo)。其8Mbps的帶寬能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅绕湓谕ㄐ艞l件不佳的地區(qū)使用更為便捷。該設(shè)備支持即插即用，一鍵啟動，即使是非專業(yè)人員也能迅速上手。

        更重要的是，英飛睿產(chǎn)品的TR組件和有源相控陣等核心部件都是自主研發(fā)的，這使得成本更加可控，供應(yīng)也更加穩(wěn)定。其獨(dú)特的信號處理算法能夠有效抑制雜波，在復(fù)雜的環(huán)境中準(zhǔn)確識別目標(biāo)。這對于我國一些偏遠(yuǎn)、人均收入較低的農(nóng)村地區(qū)來說，無疑是防治野豬問題的有力工具。

        據(jù)了解，在實(shí)際應(yīng)用中，村民們首先使用雷達(dá)鎖定野豬目標(biāo)，然后派出配備了兩面有源相控陣?yán)走_(dá)陣列的大疆T50民用無人機(jī)進(jìn)行驅(qū)趕。這種無人機(jī)能夠高效地進(jìn)行地形識別和避障，從而迅速將野豬驅(qū)離。

        在2023年3月，我國民用有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)再次成為焦點(diǎn)，這次是因?yàn)楹钡貐^(qū)首臺相控陣天氣雷達(dá)成功安裝。這一消息迅速在網(wǎng)上引起熱議，而討論的焦點(diǎn)并不是雷達(dá)的性能，而是它獨(dú)特的安裝地點(diǎn)——湖北隨州大洪山風(fēng)景區(qū)內(nèi)的寶篋塔頂。網(wǎng)友們戲稱其為“賽博佛寺”，讓人聯(lián)想到《三體》中的紅岸基地。

       實(shí)際上，將有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)應(yīng)用于氣象領(lǐng)域，是我國“軍轉(zhuǎn)民”技術(shù)應(yīng)用的一個典范。例如，在北京大興國際機(jī)場，C波段全數(shù)字有源相控陣天氣雷達(dá)已經(jīng)被廣泛使用。這種雷達(dá)相比傳統(tǒng)的機(jī)械掃描雷達(dá)，掃描速度更快，僅需1分鐘就能完成一次11層體積掃描，而傳統(tǒng)雷達(dá)則需要6分鐘。此外，得益于有源相控陣的設(shè)計(jì)，這種雷達(dá)在地物雜波抑制、抗干擾能力和自動化探測方面都有顯著提升。它能夠更快速、更準(zhǔn)確地探測到影響航空安全的危險(xiǎn)天氣，如雷雨、大風(fēng)、下?lián)舯┝骱惋L(fēng)切變等，并能夠詳細(xì)分析這些危險(xiǎn)天氣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為航空預(yù)報(bào)提供更為精確的探測數(shù)據(jù)。

       在這則新聞中提到的雷達(dá)，是我國氣象領(lǐng)域尖端技術(shù)的代表——X波段雙偏振相控陣天氣雷達(dá)。該雷達(dá)是2022年中國氣象局武漢暴雨研究所在大洪山暴雨立體垂直觀測基地的關(guān)鍵設(shè)備之一。大洪山位于江漢平原北部，其1000米的山體落差為垂直立體觀測提供了得天獨(dú)厚的條件，成為理想的天然平臺和邊界層垂直梯度自然觀測平臺。

       氣象專家指出，雙偏振相控陣?yán)走_(dá)在響應(yīng)速度、數(shù)據(jù)更新頻率、多目標(biāo)追蹤能力、空間分辨率、功能多樣性以及抗干擾能力等方面，都顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的天氣雷達(dá)。該雷達(dá)不僅能夠監(jiān)測天氣過程的宏觀變化，還能夠詳細(xì)獲取降水粒子的形狀、大小、相態(tài)分布、空間取向和降水類型等信息，這對于提高龍卷風(fēng)、下?lián)舯┝鞯葟?qiáng)對流天氣的精準(zhǔn)預(yù)警和預(yù)報(bào)服務(wù)具有重要意義。

        那么，為什么曾經(jīng)被視為高科技象征的有源相控陣?yán)走_(dá)能夠在我國得到廣泛應(yīng)用呢？這背后的原因可以從兩個方面來分析：原材料的供應(yīng)和技術(shù)水平的提升。

        有源相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵材料通常是砷化鎵和氮化鎵。回到本文開頭的新聞，我國是全球最大的砷化鎵和氮化鎵出口國，并且在產(chǎn)量上遙遙領(lǐng)先于其他國家。中國能夠在這些稀有材料的生產(chǎn)上占據(jù)領(lǐng)先地位，背后的原因是什么呢？

        我國在全球鎵市場中占據(jù)著舉足輕重的地位，擁有全球68%的鎵儲量。鎵作為一種稀有金屬，其主要來源是電解鋁的副產(chǎn)品。雖然電解鋁技術(shù)并不復(fù)雜，但大規(guī)模生產(chǎn)卻對電力系統(tǒng)提出了極高的要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)一噸電解鋁大約需要消耗13,500度電。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2022年我國電解鋁產(chǎn)量達(dá)到4,021.4萬噸，據(jù)此估算，我國電解鋁行業(yè)2022年的總耗電量超過了5,400億度電。這一數(shù)字令人震驚，以2021年法國全國發(fā)電量5,472億度電為例，我國電解鋁行業(yè)的耗電量幾乎與法國全國發(fā)電量持平。鎵產(chǎn)量之所以能夠遙遙領(lǐng)先，得益于我國龐大的鋁產(chǎn)量和豐富的鎵儲量。

        然而，產(chǎn)量巨大背后，還有一個關(guān)鍵因素被忽略了，那就是市場需求。一個行業(yè)的產(chǎn)能總是與市場需求相匹配。近年來，我國5G基站建設(shè)的加速、GaN功率器件在手機(jī)快充和新能源汽車快充中的應(yīng)用，都為鎵材料創(chuàng)造了巨大的市場需求。自2019年以來，隨著我國代工企業(yè)的快速發(fā)展，氮化鎵成本被大幅降低。

        在雷達(dá)技術(shù)方面，我國的研究始于20世紀(jì)40年代末至50年代初，至今不過幾十年歷史。從南京“小紅樓”的誕生地，我國的雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展壯大，遍布全國。這一技術(shù)從最初的不成熟，到如今的成熟強(qiáng)大，見證了我國科技實(shí)力的飛速進(jìn)步。

       在1949年5月，中國人民解放軍接管了原國民黨控制的雷達(dá)研究機(jī)構(gòu)（被稱為“小紅樓”），這一事件成為我國雷達(dá)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要里程碑。從1953年開始，我國建立了專門的雷達(dá)生產(chǎn)基地，并從模仿蘇聯(lián)雷達(dá)產(chǎn)品起步，逐漸自主研發(fā)了多種雷達(dá)系統(tǒng)，包括警戒雷達(dá)、炮位瞄準(zhǔn)雷達(dá)、艦載雷達(dá)、機(jī)載雷達(dá)、指標(biāo)儀、制導(dǎo)雷達(dá)以及末制導(dǎo)雷達(dá)等。

        到了1960年代，隨著中國與蘇聯(lián)關(guān)系惡化，蘇聯(lián)突然撤走了所有專家并撕毀了合同，我國因此提出了“以兩彈為主，導(dǎo)彈優(yōu)先，積極發(fā)展電子技術(shù)”的策略，這一方針為我國雷達(dá)事業(yè)的未來發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。我國雷達(dá)技術(shù)也開始進(jìn)入快速發(fā)展階段。到了1970年代，我國在雷達(dá)領(lǐng)域取得了一系列技術(shù)突破，掌握了單脈沖跟蹤技術(shù)、脈沖壓縮技術(shù)、多普勒技術(shù)、相控陣技術(shù)和成像技術(shù)等新技術(shù)，同時，我國自主研發(fā)的產(chǎn)品也開始在國際市場上獲得認(rèn)可并實(shí)現(xiàn)出口。

       1990年代，海灣戰(zhàn)爭的爆發(fā)讓美國展示了現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭的威力，其領(lǐng)導(dǎo)的多國聯(lián)軍以壓倒性優(yōu)勢擊敗了伊拉克軍隊(duì)，這一事件讓我國深刻認(rèn)識到雷達(dá)在情報(bào)收集、指揮控制、作戰(zhàn)管理以及效能評估等方面的重要作用，同時也意識到雷達(dá)技術(shù)面臨的隱身技術(shù)、反輻射導(dǎo)彈、電子干擾和低空飛行器等挑戰(zhàn)。因此，我國迅速啟動了先進(jìn)雷達(dá)技術(shù)的研究和論證工作。在眾多雷達(dá)工作者的共同努力下，中國的雷達(dá)技術(shù)逐漸與世界的先進(jìn)水平同步，并在某些領(lǐng)域取得了領(lǐng)先地位。

       在過去七十年中，我國不懈地推進(jìn)雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)先的水平。這一點(diǎn)，結(jié)合我國氮化鎵原材料的低成本，可以解釋為何有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)在我國得到了廣泛應(yīng)用。

        雖然我國在雷達(dá)技術(shù)的軍民融合方面取得了顯著成效，但在氮化鎵領(lǐng)域，我國仍面臨一些挑戰(zhàn)。盡管我國在原材料供應(yīng)方面具有顯著優(yōu)勢，甚至位居全球領(lǐng)先地位，并且國內(nèi)有三安集成和海威華芯等企業(yè)具備氮化鎵功率器件的量產(chǎn)能力，但在國際市場上，主要的氮化鎵生產(chǎn)商仍然集中在歐洲國家和日本，我國企業(yè)還未進(jìn)入主要的供應(yīng)鏈第一梯隊(duì)。

        根據(jù)《第三代半導(dǎo)體-氮化鎵（GaN）技術(shù)洞察報(bào)告》，在全球氮化鎵技術(shù)的競爭格局中，中國、美國和日本成為主要的市場競爭國家。美國和日本在20世紀(jì)70年代初就開始了相關(guān)技術(shù)的研究與開發(fā)，而中國雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，展現(xiàn)出強(qiáng)大的競爭力。目前，日本在全球氮化鎵技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。

        在國際市場上，一些知名的氮化鎵企業(yè)包括日本的住友、美國的Cree、德國的英飛凌、韓國的LG和三星等。中國也有一些代表性的企業(yè)，如晶元光電、三安光電、臺積電和華燦光電等。然而，與國外企業(yè)相比，中國企業(yè)在專利申請數(shù)量上仍有待提高。

        我國已經(jīng)認(rèn)識到這一挑戰(zhàn)，并希望通過“十四五”規(guī)劃將第三代半導(dǎo)體技術(shù)提升為國家戰(zhàn)略層面的重要技術(shù)。第三代半導(dǎo)體技術(shù)被視為我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的關(guān)鍵機(jī)遇。在未來，如果我國能夠在氮化鎵領(lǐng)域取得更大的突破，預(yù)計(jì)將有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的應(yīng)用將更加廣泛，從而為我們的日常生活帶來更多便利。