氮化镓器件带来的技术革命

吴晓鸥+岳松堂

为了应对新的战争，美军目前正在研发一系列新型、先进的陆基雷达。这一轮研发的主要特点，是以氮化镓器件为基础。与传统的砷化镓半导体相比，氮化镓器件提高了处理速度，并且能在一个硅片中融入多种功能。砷化镓器件的发射/接收装置需要把低噪声放大器、移相器、功率放大器、转换器配置在不同的模块上。而采用氮化镓技术后，所有这些组件都可安装到一个单独的硅片上。与砷化镓模块相比，氮化镓还有一项重要的优势是耐热性。砷化镓模块的温度上限大约在150℃。据某些研究称，更小巧的氮化镓模块能耐受超过2500℃的高温，因此需要很少的有源冷却。

因此，总体来说小巧的氮化镓模块带来了雷达体积和功耗的大幅度下降，大大降低了雷达的使用成本，提高了使用性也带来了美国军方的采购需求。

低层防空反导传感器

为了升级或替换当前陆军“爱国者”系统装备的目标拦截相控阵跟踪雷达，美国陆军低層防御项目办公室于2016年7月中旬发布了一份信息征求书，研制一种称为低层防空反导传感器（LTAMDS）的雷达，希望工业部门能提供在2028财年前形成初始作战能力的可行性研究。

根据需求计划，竞标者们提出的LTAMDS方案要在2017财年第4季度至少达到技术成熟度5和制造成熟度5，才能满足项目采办的要求。进入项目采办后，要经历技术成熟度和风险降低阶段、工程与制造研发阶段、生产和列装阶段。美国陆军计划在风险降低阶段签订一份固定的、根据研发程度而定价的合同。

LTAMDS不但要升级或替换当前的“爱国者”雷达，还要对新的威胁目标有更好作战效果，并降低使用成本。陆军将在10年内采购或翻新80部雷达，单套产品的平均价格不超过5000万美元，包括升级配套元件、雷达的集成以及试验开支。

为了能在美国陆军的一体化防空反导网中作业，LTAMDS方案要满足以下条件：能够对2015年3月12日更新的最新版陆军防空反导系统威胁评估报告中所列的威胁目标，进行监视、分类、鉴定和识别；具有火控功能，至少能够支持“爱国者”PAC-3这类拦截弹；能使用陆军现有的发电机（最大功率300千瓦）；满足现有的机动性和运输性需求；改善可靠性、有效性和可维护性；促使国防部体系结构框架办公室进行软件体系结构的开发。

在2017财年预算中，陆军申请了3513.2万美元来启动方案与工程活动。陆军还会利用这些经费对“爱国者”天线发射机的升级和性能指标进行需求分析，以及对软件和硬件进行需求分配。接下来将进行有源相控阵微缩样机天线的研制计划和演示，然后是全尺寸LTAMDS 天线的初步设计评估。

洛-马公司（为陆军研制了AN/ TPQ-53雷达）和雷声公司（为陆军研制了“爱国者”防空反导系统）均打算参加LTAMDS 的研制。

洛-马公司对这单合同摆出了势在必得的态度。该公司称，它是唯一一家为陆军生产有源相控阵雷达的公司，并且是唯一生产和出口氮化镓（GaN，被称为第三代半导体材料，是微波功率晶体管的优良材料）器件AESA雷达的美国公司。该公司研制了一系列高水平雷达，如中远程防空系统雷达、“空间栅栏”雷达、远程识别雷达、AN/TPQ-53固态相控阵雷达、“宙斯盾”系统雷达。

洛-马公司任务系统与训练部副部长黑克斯称，打算在LTAMDS上采用一些成熟技术，但要做一定修改。黑克斯还表示，洛-马公司在研发速度方面具有优势，如TPQ-53有源相控阵雷达项目，而“曾有一种大型雷达，从概念的提出到交付、验证直到最终的交易，共耗费了7年的时间”。

升级“爱国者”雷达

雷声公司也不甘示弱。尽管LTAMDS计划才刚刚开始，但在过去几年中，雷声公司已经稳步地对“爱国者”系统进行了升级和试验。2014年，该公司曾演示过在“爱国者”防空反导雷达上采用AESA和氮化镓技术。这项实验取得了成功。它可以用于所有现役“爱国者”系统雷达，并能升级到360°覆盖，包括朝向前方的主阵列，朝向后方的2个较小的四分之一扇面阵列。新的雷达结构布局已经在该公司位于新罕布什尔州的雷达测试场进行了测试。

美国陆军还没有正式订购这种改进方案，但美国政府已经批准雷声公司向13个部署了“爱国者”的国家出口该雷达。2015年11月，雷声公司称，已经制定了向波兰进行对外军售的细则，波兰将成为首个接收采用氮化镓和AESA升级版“爱国者”雷达的国家。

认识到氮化镓和AESA技术应用于“爱国者”雷达的优点后，2016年初，美国陆军在2017财年预算中申请了3513.2万美元，用于研究与开发如何用这两类技术改进自身装备的基本型“爱国者”雷达，取代原先的无源相控阵天线。

在陆军2017财年的预算案中有这样的描述：“氮化镓技术改变了AESA天线的结构布局，扩大了雷达的覆盖范围，因此能使‘爱国者PAC-3导弹增强型最大限度地发挥作用，以拦截威胁目标。”endprint

2016年7月，美国陆军进行了“爱国者”列装后改型版（PDB-8）的最后一次演示试验，也是陆军在2017年开展作战试验与评估的最后一次试验。PDB-8有许多先进之处，如雷达数字处理器。这是一种耐用的、全数字式商用处理器，降低了“爱国者”的使用和维护成本，并将可靠性提高约40%。PDB-8使美陆军首次配备了现代化人员工作站，即一个拥有彩色液晶显示屏、触摸屏幕和软键盘的用户接口。

反火箭弹、炮弹和迫击炮弹

（C-RAM）和反无人机系统

前文说到的AN/TPQ-53反火力雷达，其所探测的目标没有那么高大上，但对一线部队有着更加现实的意义。

随着无人机技术在全世界的扩散，美军越发认为，自己需要充足的手段来反制潜在对手可能装备和使用的无人机，尤其是小型无人机。

2014年，美国陆军航空与导弹研究、开发与工程中心（AMRDEC）发布了一项反无人机武器系统的RFI，对多种用于反无人机系统的技术方案进行了分析。美国陆军精确火力与反无人机系统项目经理布莱姆莱特称：“要依据作战规则对威胁目标做出反应，要确定威胁目标的意图、所保护设施的价值和重要性、所涉及的法律和政策问题、可能产生的误伤和附带损伤。”

由于各类无人机的控制方式不同、尺寸不同、使用意图也不同，因此反无人机所面临的挑战也不同。“小型无人机可能会有广泛的用途，基本上无需对操作手进行训练，如果有临时需求，可实施计划外发射和飞行。而且，小型无人机的技术水平还在不断提高，因此必须在技术、条令和政策上做出更新”。

RFI发布后，又举行了反无人机工业日，召集工业界人士，为美国陆军训练与条令司令部提供有关数据。美军打算基于这些信息展开实验，通过实验将概念融入到条令中去。根据实验，训练与条令司令部针对旅以下级别的反无人机能力起草了一份需求文件草案。文件修订完成后，将向工业部门发布RFP。

军队的需求就是工业部门的动力。有多家美国公司已经开始研发反无人机能力。例如，SRC公司研制了“无声弓箭手”反无人机系统，有机动作业和固定作业两种模式。“无声弓箭手”参加了陆军的一系列演习评估活动，包括2015年8月联合一体化防空反导局的“黑镖”演习。2014年6月，RADA公司宣布美国海军研究办公室的陆基防空机动定向能研发项目已经选择了该公司的RPS-42战术级监视雷达系统，提升海军陆战队应对新型低空飞行的威胁目标（尤其是无人机）的能力。

RADA公司称：“RPS-42系统的特点是能够探测到特别小的、低空、慢速飞行的无人机（被认为是机动部队面临的典型战术威胁），而现有的多数防空雷达是无法探测到这些目标的。”它能准确地跟踪威胁目标至很高的仰角，并且能够机动作业。

但是对于美国陆军来说，如果想在最低级别的近程防空的所有区域内实现反无人机能力，就要考虑新成立专门的部队。这在奥巴马政府时期的军费预算背景下是不现实的。

2016年8月，美国国防高级研究计划局收到了来自工业部门和学术界为机动部队提供分层防护（包括反无人机系统能力）的反馈意见。RFI的发布是为了应对越来越多的小型无人机系统所带来的威胁。这些系统造价低廉，可通过商业渠道获得，并且很容易改装成攻击平台，给战争带来新的不对称威胁。美国陆军希望通过该项目探寻一种综合探测能力，包括多种传感器的使用。具体到雷达上，则希望通过改进现役雷达来实现。布莱姆莱特称：“如果现役雷达不能满足需求，才会考虑在部队编制中增加新的雷达。再增强几种其他的传感器协同工作，以探测、识别和攻击目标。”

在现役雷达中，TPQ-53就是最好的改进对象。早在2012年10月，洛马公司首次宣布将为TPQ-53雷达增加空中监视模式。其实TPQ-53一直具有空中监视功能，只是之前没有提出这方面的能力需求。美国陆军的TPQ-53雷达操作员接收的并不是全部数据，而是把空中监视数据过滤掉了。增加空中监视模式，硬件不需要做任何改变，只需增加一个软件，使雷达快速地从反火力模式转为空中监视模式。这种模式下，TPQ-53能够识别和跟踪无人机，并将数据中继到指挥控制节点。

2016年5月在俄克拉荷马州的希尔堡举行了“综合机动火力演习2016”。其中，TPQ-53雷达识别并跟踪了多架无人机，将数据提供给前方地域防空指挥控制（FAAD C2）节点。与此同时，TPQ-53还提供了有关火箭弹、炮弹和迫击炮弹的跟踪数据。

受此鼓舞，2016年8月，美国陆军宣布将评估为AN/TPQ-53雷达增加反无人机能力的可行性。根据性能指标要求，新能力的引入不能影响到雷达的反火力能力，不能增加人员，不能改变波形。除探测和跟踪无人机外，还要能够对无人机进行分类。

美国陆军计划为10部TPQ-53雷达增加反无人机能力，并引入一种现成的敌我识别系统。根据目前的计划，改进后的雷达将在2018年6月列装。endprint

地面/空中任务专用雷达

2016年9月6日，诺斯罗普·格鲁曼公司宣布，该公司接到了来自美国海军陆战队的地面/空中任务专用雷达的一份附加低速初始生产合同，共生產9部。这份合同是G/ATOR（AN/ TPS-80）系统采用氮化镓发射-接收（T/R）模块后的首个订单。

诺斯罗普·格鲁曼公司于2017年开始交付首批6部低速初始生产的砷化镓（GaA）G/ATOR雷达，将用于支持G/ATOR在2018年形成初始作战能力阶段1和阶段2的试验和列装。2018年开始交付另外3部雷达，用于初始作战试验与评估。

该公司目前的G/ATOR中使用砷化镓半导体，在天线阵列中共有659个发射-接收模块。氮化镓半导体更小、更轻，雷达需要的发射-接收模块也相对较少，因此消耗的能量也少，系统的重量减轻了，降低了整个生命周期成本。

G/ATOR是一种S波段（2～4兆赫）多功能有源相控阵雷达，结合了多种传统陆基雷达的功能，具有空中监视、空中交通管制和近程防空的能力，且具有炮兵定位雷达的功能，替代了陆战队的5种传统雷达。

美国海军陆战队原计划采购57部G/ATOR，但目前的经费只能采购45部。在全速生产阶段每年最多采购8部。

G/ATOR项目副经理巴恩黑尔称：“G/ATOR的采办战略一直是首先研制硬件和阶段1的软件。初始阶段研制的硬件将支持所有的任务，而软件在每个阶段都可增加。”按照这一战略，G/ATOR已经开始了软件的阶段2开发工作。刚刚结束了阶段2的关键设计评审，计划于2017年底开始阶段2的试验。

巴恩黑尔称：“与项目之初相比，G/ATOR现在可执行多种任务。美国海军陆战队和其他军种多次表示他们对G/ATOR的潜在使用感兴趣，希望它能执行其他任务，但截至目前还都处于探索阶段。”

AN/TPY-2雷达

美国导弹防御局发言人马丁称，雷声公司的高分辨率、机动、可快速部署的AN/TPY-2 X波段雷达，是美国弹道导弹防御系统的组成部分，目前正在进行识别能力的升级，以提高应对不断升级的威胁目标的效能和适应性。

马丁说：“升级的目标是增强系统对再入弹头的识别能力和毁伤能力，提高成功概率。升级工作包括为X波段雷达开发动态识别体系结构和雷达识别先进算法、为AN/TPY-2雷达开发可选X波段软件，以应对不断升级的威胁目标。”

此外，AN/TPY-2雷达还正在进行老旧部件更新和可靠性升级计划。期间它们将接收重新设计的部件，从而提高雷达的可靠性和可操作性。

AN/TPY-2雷达有两种工作模式：在系统中采用前沿部署模式；在末段高空区域防空（即“萨德”）系统中采用末端部署模式，作为搜索、探测、跟踪、识别和火控雷达使用。

截至目前共采购了12部AN/ TPY-2雷达。军种和作战司令部部署了5部前沿部署模式的AN/TPY-2雷达，分别部署在日本（2部）、以色列、土耳其、美国中央司令部的作战区，由导弹防御局提供后勤支持。

在关岛部署了1部采用末端部署模式的AN/TPY-2雷达。美国本土部署了5部AN/TPY-2雷达，用于支持“萨德”连，还有1部正在参加BMDS试验。作为导弹防御局首个对外军售的一部分，为阿联酋生产了2个“萨德”连（包括TPY-2雷达）。

2015年2月，雷声公司宣布已交付了用于AN/TPY-2的首个升级的电子装备单元的计算机处理器，升级提升了雷达从杂波中识别导弹威胁的精度和速度。

3D远征远程雷达

延误了2年多之后，美国空军于2016年7月发布了修订后的3D远征远程雷达方案征求书。合同内容将包括3D ELRR系统的工程、制造与研发，低速初始生产，暂时的承包商支持，以及全速生产。合同预计将于2017财年第2季度签订。

该雷达将作为美国空军主要的陆基传感器，用于远程监视、探测和跟踪空中目标，以支持战区指挥官。它将替换诺斯罗普·格鲁曼公司的AN/ TPS-75雷达，因为这种老式雷达已经不能探测不断升级的威胁目标，并且即将达到服役年限。

AN/TPS-75雷达将于2028年被完全取代。美国空军原本希望在2016年3月底或4月初签订合同，但这个项目如今陷入了法律纠纷。

2012年8月，美国空军选定了分别由洛马公司、诺斯罗普·格鲁曼公司和雷声公司牵头的3个团队。3家公司分别有不同的竞标方案：洛-马公司的L波段雷达，诺斯罗普·格鲁曼公司的S波段雷达和雷声公司的C波段雷达。2014年10月，美国空军与雷声公司签订合同。该项目就自当时与雷声公司签订的定价激励合同额为1900万美元，包括在初始EMD阶段提供3部雷达。全部合同（包括所有研发事项）的潜在价值为7180万美元，将再采购3部雷达。

为此，洛马公司和诺斯罗普·格鲁曼公司一起对美国空军的决定向政府问责办公室提出上诉。经过调查，在2014年10月21日颁布中止工作禁令，美国空军只好同意采取纠正措施。

空军原本希望于2015年初发布新的方案征求书。然而，2015年1月27日，雷声公司向美国联邦赔偿法院提出法律诉讼，试图驳回美国空军采取纠正措施的决定。5月，法院支持了空军的决定，空军实施了纠正措施。雷声公司于2015年7月29日又向美国联邦巡回上诉法院提起诉讼。10月，法院驳回了雷声公司的诉讼，才使美国空军再次开始推进3D ELRR的采办进程。endprint

3D ELRR还参与了国防部的“防御输出能力特征辅助计划”，该计划致力于将装备从理念提出到能力输出的过程，作为采办系统的一部分，以缩短研制周期并节约开支。

远程识别雷达和TPY-X雷达

2015年10月，洛-马公司接到一份价值7.84亿美元的合同，研制一种S波段远程识别雷达，并实施相关的测试和使用维护工作。这种雷达用于中段弹道导弹防御，可以监视所有飞行段的威胁目标，并为拦截提供数据。根据计划安排，从2017年开始，要进行软、硬件的开发和组件的生产，直到2019年。

导弹防御局发言人约翰逊称：“该雷达将于2019和2020年在阿拉斯加州的克利尔空军基地进行测试。飞行试验计划在2021财年的第3季度进行”。试验结束后，将开始列装。它同样采用氮化镓技术和固态有源相控阵列，将用于跟踪和识别太平洋区域的远程弹道导弹目标。研制成功后，雷达将作为弹道导弹防御系统的组成部分，在导弹防御局的指挥、控制、戰斗管理和通信系统内工作。

洛-马公司C4ISR部的副总裁史密斯在2016年8月的防空反导论坛上说，洛-马公司正力争在2016年底将LRDR结合到BMDS体系中去。

防空反导论坛上，洛-马公司还展示了其最新型雷达产品，命名为TPY-X。目前有关这种新型雷达的信息还很少，洛-马公司的网站上描述：“TPY-X包含了该公司当前所有产品的任务能力。为了增强雷达的性能，应对不断涌现的威胁目标，洛-马公司的下一代远程多任务雷达系统将进行大规模的技术投资（包括氮化镓）。还将为现有产品安装升级的技术组件。TPY-X采用模块化组件，易于根据作战需求进行组合，有固定和高机动两种模式。可用C-130、C-17、卡车、火车或直升机运输。”

洛-马公司雷达产品研发部主管哥莱特称，TPY-X具备用于升级“爱国者”雷达的潜力。新型L波段雷达采用模块化组件和现代数字化体系结构，是一种配有数字波形，并使用氮化镓半导体的分布式体系结构。它适用于探测小型目标并执行其他任务。该雷达还用于出口，这意味着它将成为目前在全球范围内使用的洛-马公司雷达（如FPS-117、TPS-77和TPS-59）的下一代替换产品。TPY-X已经通过了室内和室外测试，洛-马公司目前正在编制该雷达的操作手册和画图。

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