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发布时间:2024-07-08

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编者按:"毫米波近炸引信技术,作为现代军事与国防科技的重要突破,正引领着精确制导与武器系统的新一轮革新。本期瑞见由瑞鹏资产王蒙旨带您深入剖析毫米波技术在近炸引信领域的最新进展与应用前景,探讨其如何赋能武器系统实现更高精度、更强抗干扰能力与更低功耗,以官方视角展望其对国防安全及未来战争形态的深远影响。"

毫米波近炸引信行业概述
作者 王蒙 
西安瑞鹏资产管理有限公司投资经理
微信:wangmengab
一、毫米波行业基础概念
(1)微波、毫米波
射频(RadioFrequency)是一种可以辐射到空间的高频交流变化的电磁波,频率范围为300kHz~300GHz,波长1km~1mm,射频技术在无线通信领域中被广泛使用。射频中较高频段(300MHz-300GHz)又称为微波频段,波长范围为1m~1mm。微波是分米波、厘米波、毫米波的统称,其中毫米波频率范围为30GHz~300GHz、波长范围为10mm~1mm。
微波具有波长短、频率高、穿透能力强、抗干扰、不易受环境影响等一系列特点,容易制成具有体积小、波束窄、方向性强、增益性高等特性的天线系统,在雷达、通信和电子对抗系统中得到了广泛应用。微波通信的主要方式是视距通信,远距离通信需要中继转发。毫米波通信具有以下特点:
①视距通信:由于毫米波频段高,受大气吸收和降雨衰落严重,通信距离较短。
②具有“大气窗口”和“衰减峰”:在某些特殊频段附近,毫米波传播受到的衰减较小,适用于点对点通信;在某些特殊频段附近,毫米波出现衰减极大值,适用于安全需求较高的隐蔽网络和系统。
③全天候通信:毫米波对沙尘和烟雾有很强的穿透力,几乎能无衰减地通过沙尘和烟雾。
④极宽的带宽:毫米波带宽高达273.5GHz,超过从直流到微波全部带宽的10倍。考虑大气吸收后,总带宽仍达135GHz,为微波以下各波段带宽之和的5倍。
⑤波束窄:毫米波波束比微波其他波段窄得多,能分辨相距更近的小目标或更为清晰地观察目标的细节。
⑥探测能力强:可以抑制多径效应和杂乱回波,有效消除相互干扰。
⑦安全保密性好:毫米波波束窄、传输距离短,难以被截获。
⑧传输质量高:由于毫米波的频段高,干扰源少,频谱干净,信道稳定可靠。
⑨元件尺寸小:相比于微波其他波段,毫米波元器件尺寸小,易于小型化。

(2)射频芯片

射频芯片是指将无线电信号通信转换成一定的无线电信号波形,并通过天线谐振发送出去的电子元器件。射频芯片分为射频前端芯片和射频收发芯片,射频前端芯片主要功能是实现信号的发射和接收,射频收发芯片则是用于信号的调制与解调。射频前端芯片包括功率放大器、低噪声放大器、幅相控制芯片、滤波器和射频开关等。
当前各种毫米波的器件、芯片以及应用都被市场非常看好且在大量开发着。相对于微波频段,毫米波有其上述的自身的特点。首先,毫米波具有更短的工作波长,可以有效减小器件及系统的尺寸;其次,毫米波有着丰富的频谱资源,可以胜任未来超高速通信的需求。此外,由于波长短,毫米波用在雷达、成像等方面有着更高的分辨率。 由于毫米波的前述特点,成为非常具有前景的通信手段,已在导弹制导、相控阵雷达侦测、飞行器高度计、电子围栏、卫星遥感等军事领域得到广泛应用。

二、毫米波芯片工艺路线及发展趋势

传统的毫米波单片集成电路主要采用化合物半导体工艺,如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等,其在毫米波频段具有良好的性能,是该频段的主流集成电路工艺。另一方面,近十几年来硅基(CMOS、SiGe等)毫米波亚毫米波集成电路也取得了巨大进展。此外,基于氮化镓(GaN)工艺的大功率高频器件也迅速拓展至毫米波频段。

(一)毫米波芯片主要工艺路线

1、GaAs和InP毫米波芯片

近十几年来,GaAs和InP工艺和器件得到了长足的进步。基于该类工艺的毫米波器件类型主要有高电子迁移率晶体管(HEMT)、改性高电子迁移率晶体管(mHEMT)和异质结双极性晶体管(HBT)等。目前GaAs、mHEMT、InP、HEMT和InPHBT的截止频率(ft)均超过500GHz,最大振荡频率(fmax)均超过1THz.2015年美国Northrop Grumman公司报道了工作于0.85THz的In PHEMT放大器,2013年美国Teledyne公司与加州理工大学喷气推进实验室报道了工作至0.67THz的In PHBT放大器,2012年和2014年德国弗朗霍夫应用固体物理研究所报道了工作频率超过0.6THz的mHEMT放大器。
    GaN作为第3代宽禁带化合物半导体,具有大的禁带宽度、高的电子迁移率和击穿场强等优点,器件功率密度是GaAs功率密度的5倍以上,可显著地提升输出功率,减小体积和成本。随着20世纪90年代GaN材料制备技术的逐渐成熟,GaN器件和电路已成为化合物半导体电路研制领域的热点方向,美国、日本、欧洲等国家将GaN作为微波毫米波器件和电路的发展重点。近十年来,GaN的低成本衬底材料碳化硅(SiC)也逐渐成熟,其晶格结构与GaN相匹配,导热性好,大大加快了GaN器件和电路的发展。近年来GaN功率器件在毫米波领域飞速发展,日本Eudyna公司报道了0.15m栅长的器件,在30GHz功率输出密度达13.7W/mm.美国HRL报道了多款E波段、W波段与G波段的GaN基器件,W波段功率密度超过2W/mm,在180GHz上功率密度达到296mW/mm.国内在微波频段的GaN功率器件已基本成熟,到W波段的GaN功率器件也取得进展。南京电子器件研究所研制的Ka波段GaN功率MMIC在3436GHz频带内脉冲输出功率达到15W,附加效率30%,功率增益大于20dB。

3、硅基毫米波芯片

硅基工艺传统上以数字电路应用为主。随着深亚微米和纳米工艺的不断发展,硅基工艺特征尺寸不断减小,栅长的缩短弥补了电子迁移率的不足,从而使得晶体管的截止频率和最大振荡频率不断提高,这使得硅工艺在毫米波甚至太赫兹频段的应用成为可能。国际半导体蓝图协会(InternaTIonalTechnologyRoadmapforSemiconductors)预测到2030年CMOS工艺的特征尺寸将减小到5nm,而截止频率ft将超过700GHz。德国IHP研究所的SiGe工艺晶体管的截止频率ft和最大振荡频率fmax都已经分别达到了300GHz和500GHz,相应的硅基工艺电路工作频率可扩展到200GHz以上。

(二)低成本硅基毫米波芯片发展潜力巨大

由于硅工艺在成本和集成度方面的巨大优势,硅基毫米波亚毫米波集成电路的研究已成为当前的研究热点之一。美国佛罗里达大学设计了410GHzCMOS振荡器,加拿大多伦多大学研制了基于SiGeHBT工艺的170GHz放大器、160GHz混频器和基于CMOS工艺的140GHz变频器,美国加州大学圣芭芭拉分校等基于CMOS工艺研制了150GHz放大器等,美国康奈尔大学基于CMOS工艺研制了480GHz倍频器。在系统集成方面,加拿大多伦多大学设计了140GHzCMOS接收机芯片和165GHzSiGe的片上收发系统,美国加州大学柏克莱分校首次将60GHz频段硅基模拟收发电路与数字基带处理电路集成在一块CMOS芯片上,新加坡微电子研究院也实现了包括在片天线的60GHzCMOS收发信机芯片,美国加州大学洛杉矶分校报道了0.54THz的频率综合器,德国乌帕塔尔综合大学研制了820GHz硅基SiGe有源成像系统,加州大学伯克利分校采用SiGe工艺成功研制了380GHz的雷达系统。日本NICT等基于CMOS工艺实现了300GHz的收发芯片并实现了超过10Gbps的传输速率,但由于没有功率放大和低噪声电路,其传输距离非常短。通过采用硅基技术,包含数字电路在内的所有电路均可集成在单一芯片上,因此有望大幅度降低毫米波通信系统的成本。
三、近炸引信的发展历程以及未来趋势
近炸引信的出现可以追溯到20世纪30年代,德国是最先研制近炸引信的国家,之后,英、日等国纷纷加入了近炸引信的研制行列当中。在第二次世界大战中,由于新型导弹的出现以及雷达技术的广泛应用,使得近炸引信在20世纪40年代之后得到了飞跃发展。当时飞机上装载的航空导弹数量有限,造价高且结构复杂,不可能像普通航空炮弹那样大量消耗。同时,限于当时技术水平,在自动瞄准系统中存在无法避免的误差致使导弹不能直接命中目标,因此,使导弹实现近感起爆的意义远远大于炮弹,这也使得近炸引信成为了不可或缺的装置。另外,雷达技术的快速发展为近炸引信提供了新的技术支持。美国对近炸引信的研制虽然晚于英日等国,但很快将新的雷达原理应用到近炸引信上,使得其迅速赶超,后来居上。
无线电引信的出现大大提高了对目标的高效毁伤能力,在二战后期以及之后的朝鲜战争中都表现出了巨大的威力,相比于触发引信和时间引信,其杀伤效果成倍或成几十倍提高。这一事实也引发了世界各国对近炸引信的关注,纷纷投入大量的人力物力将最先进的技术优先考虑移植到近炸引信上面。
根据美国引信年会资料,国外引信从最初的机械触发引信、电子时间引信发展到炸高精确控制的近炸引信,再到多选择引信,最终已发展为弹道修正近炸引信。无线电引信也从早期的电子管型、晶体管型、固体电路型发展到特制集成电路型再到如今与全数字信号处理技术相结合,引信的集成化程度越来越高,精度逐渐提高,抗电磁干扰的能力逐步增强,功能更加扩展,信息化水平显著提升。
导弹引信,是利用目标信息和环境信息,在预定条件下引爆或引燃弹药战斗部装药的控制装置,是装在炮弹、炸弹、地雷、导弹等上面的一种引爆装置。引信根据不同的实现原理可以分为以下几种类型:
近炸引信,又称为近接引信或触发引信,是一种装备在导弹、炮弹、航空炸弹等弹药上,在弹药接近目标时,由目标本身某些物理场(如电场、磁场、声波、压力波、冲击波、光辐射等)的作用而自动起爆的装置,通常由敏感装置、安全装置、传爆装置和执行机构等组成。近炸 和武器的制导有不同的功能和作用,单从作战的阶段来看,制导是完成较远距离的导引,近炸是贴近目标的近距离探测,其他的诸如空投子母弹、高爆弹、云爆弹、反辐射弹、烟幕弹、防空反导、空空弹等等都需要配近炸。近炸的作用能够使得武器的杀伤效果达到最大化,其中近炸引信有具有很大的应用和很明显的优势。高效的近炸能够带来更大的毁伤效果,相比于碰炸,一发近炸炮弹的杀伤力相当于3-13发碰炸的效果,替换比在3-13。如果是测向拦截导弹要比迎面拦截更能以实现,目标小、机动速度快很难精确到米级别精准碰炸目标,所以就需要近炸。

近炸引信有的技术路线分为光电的(激光和红外的)、有无线电的和微波雷达,其中微波雷达技术以毫米波探测技术为主,毫米波探测相比于激光和红外在分辨率方面有所欠缺,但是光电技术很容易受到天气、烟雾等影响,当战场的第一波攻击起来之后,就有很多的烟尘会影响光电的探测效果,但是毫米波具有很强的烟雾穿透能力,能够保证全天候的作战,尤其针对一些反隐身的装备有着更高的成像精度和识别能力,低成本毫米波近炸引信将逐步成为导弹引信技术方案的主流
近年来,全球近炸引信市场呈现稳步增长的趋势。这主要是由于近炸引信在现代战争中扮演着至关重要的角色,尤其在提高弹药命中精度、毁伤效果和作战效费比方面,具有不可替代的作用。数据显示,2023年全球近炸引信市场收入为14.65亿美元,预计到2028年将增至20.69亿美元。


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