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军用雷达产业链深度报告:数字化集成化双维迭代

  时间: 2023-05-22      255     分享:

报告出品方:东吴证券,作者:苏立赞、钱佳兴、许牧

1. 百年发展,雷达发展迈入新态势

1.1. 雷达定义

雷达,指用无线电方法发现目标并测定其空间位置,也被称为“无线电定位”。雷达是利用电磁波探测目标的电子设备,发射电磁波对目标进行照射并接收其回波,由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。基本功能为目标探测、目标分类识别以及目标参数测量。

1.2. 雷达基本组成

雷达的主要结构包括为发射机系统、组件开关、接收器系统、信号处理系统、天线系统、雷达电源组成。其中收发系统、信号处理系统和天线系统为核心结构。

发射机系统:通过触发脉冲产生器、调制器及预调制器、磁控管三部分,调整功率 产生特定脉冲波形。天线系统:实现雷达微波信号的径向发射与接收,微波传输部件实现了天线与收发机的连接。相控阵雷达通过 T/R 组件负责信号的发射和接收并控制信号的幅度和相位,从而完成雷达的波束赋形和波束扫描。收发系统:检测并接收目标发反射波段,并且传递给后续信号处理系统进行处理。信号处理系统:通过 ADC 信号转换器,将来自接收机的模拟信号转化为数字信号并传输到电脑上进行处理,从中获得目标位置和速度信息。主机系统:在信号处理机在分析获得目标信息后,可视化目标信息,同时进行参数 估计、目标跟踪以及数据记录。

在雷达收发信号过程中,芯片的信号处理流程至关重要,每一个芯片在不同的环节 处理流程都决定了下一个环节的信息质量。

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在发信号时,基带处理芯片将数字信号发送给射频收发芯片,射频收发芯片收到 信号后,需要将基带可识别的数字信号即通过高速高精度 ADC/DAC 芯片进行数模转换, 再经过混频、滤波,继续传送给终端射频前端芯片将信号进行放大,然后交给天线发射。接收信号时,终端射频前端芯片将天线接收到的微弱信号进行放大,然后交给射 频收发芯片,射频收发芯片再对信号进行逆处理,再由 ADC-DAC 芯片将模拟信号转换 为数字信号,并且传送给基带进行译码。

1.3. 雷达分类方式

常见的雷达分类方式有以下几种:1)按扫描方式分类 2)按作雷达用途分类 3)按信号形式分类 4)按测量目标的参数分类 5)按角跟踪方式分类角跟踪方式 6)按采用 的技术和信号处理方式分类。此外,雷达装载位置可以分为机载、舰载、星载等。

1.4. 雷达发展历程

雷达先后经历了二次世界大战、新军事革命、冷战军备竞赛等不同历史时期,在理论、体制、方法,应用上迭代。宏观上来看,目标多样化,环境复杂化,任务多元化三大外部环境因素推动雷达技术发展。目标多样化,促使雷达向多功能、数字化方向发展,平台向临近空间和空间平台延伸;更复杂环境需求,促使雷达体制演化,工作频段拓展、带宽增大;多元任务化使得雷达加强隐蔽性,改善抗干扰和反隐身性能。

发展历程划分为四个阶段:1)上世纪初-上世纪 30 年代,基础雷达出现,初露锋 芒。2)上世纪 30 年代-上世纪 60 年代,战争催化,应用拓展大放光彩。3)冷战对峙, 技术理论发展,相控阵雷达、脉冲多普勒雷达、合成孔径雷达三足鼎立。4)20 世纪军事 信息化时代,雷达依据集成化和数字化两个特征共同发展,多维创新。

1.4.1. 信息处理数字化发展,硬件集成度提升,双管齐下雷达迭代:

观测视角覆盖增加。雷达占据空间位置从一点布局,衍生出双点、多点布局,形成 了双多基地雷达。预期将向分布式雷达和立体网格雷达演化。通道构型数字化演变。雷达通道占据空间位置配置方式向数字化发展,由传统连续 分布、平面共型阵列,逐步衍生为多通道多波形传输控制。传统相控阵雷达衍生出接收 DBF、数字阵列雷达(DAR)和正交波形 MIMO 雷达等。信号处理升维。由早期的窄带、单频、单极化逐步向宽带、多频段、多极化演变。采用频率捷变、极化捷变、多极化等技术,在更宽频域范围和多极化域中有效地观测目 标与环境的差异,以改善雷达的目标检测、低仰角跟踪、反侦测抗干扰等性能。硬件集成度提升。宽禁带半导体技术突破使得真空管器件逐渐被固态器件替代。固态 器件具有更好的性能(GaAs,GaN,SiC)、更低的成本,可以实现微波单片集成电路、片上系统以及片上雷达等。

1.4.2. 相关技术革命推动雷达技术飞跃发展

70 多年技术发展中,新概念和基础理论对雷达能力拓展决定性先导作用。信号处理技术发展过程中,匹配滤波、模糊函数、最佳检测、卡尔曼滤波等基础理 论,奠定了雷达波形设计信号数据处理基础;集成电路、数字处理等技术,为实现脉冲 压缩、成像处理、自动检测跟踪以及雷达系统的数字化,提供关键技术手段。功率器件更新迭代过程中,行波管、固态发射、数字发射接收技术显著改善雷达目 标探测能力。此外,新式理论不断出现,1960 年收发相参技术、波束形成与控制、合成孔径成像 处理等理论奠基了相控阵雷达、合成孔径雷达等发展框架。

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未来雷达仍保持数字信息化迭代发展。智能化探测和网格化探测的基础理论,将为可能出现的智能雷达和立体网格雷达的发展起到先导作用。宽禁带半导体可以显著增大 固态器件功率,大幅提高雷达系统的探测威力和可靠性;超常电磁材料、纳米电子技术、 微机电技术可能带来未来雷达新模式。

2. 数字化和集成化双维趋势发展,雷达应用迈入新里程

2.1. 数字化趋势,相控阵雷达迭代机械扫描雷达

按照扫描方式,雷达分为机械扫描雷达与电子扫描相控阵雷达。机械扫描雷达是由 机械转动装置控制天线的指向,让信号波发射到不同的方向,从而探测目标。由于扫描 惯性和扫描角转换等机械耦合结构特性使得其难保持高速高质量追踪搜索移动目标的 任务,并且抗干扰能力较弱。

相控阵雷达技术重构了传统探测器结构:由大量相同的辐射单元组成雷达面阵,通 过馈电控制电磁波束电子扫描,实现多波束快速扫描探测,并且可根据实际环境灵活控制波束相位与幅度,切换波束指向进行扫描,且相位变化速度达到毫秒量级,使雷达能 够在极短时间内完成全空域扫描。且由于辐射单元内芯片可独立工作,在信号处理和抗 干扰能力显著增强。

相控阵雷达较之传统雷达,主要有以下 4 个优点:1)波束指向灵活,能实现无惯 性高准确率扫描;2)单个雷达可同时形成多个独立波束,同时实现搜索、识别、跟踪、 制导、无源探测等任务;3)目标容量大,可在空域内同时监视数百个目标;4)在复杂 目标环境的适应能力、抗干扰性能好,即使少量组件失效仍能正常工作。

2.2. 厚积薄发 40 载,相控阵技术数字化智能化迭代

相控阵雷达通过电子计算机控制移相器改变天线孔径上的相位分布来实现波束在 空间的扫描,从而完成对空搜索。针对远距离目标搜索,各个辐射器通过电子计算机控 制集中向一个方向发射、偏转,观察距离范围大。

2.2.1. 相控阵雷达技术发展历史

多功能相控阵雷达发展划分为:无源、有源和数字相控阵 3 个阶段。

第一阶段:无源相控阵雷达。无源相控阵即天线阵是无源,采用电真空管中央发射 机,信号处理收发仍是集中式的,通过嵌入的铁氧体类移相器对阵面口径场分布进行控制,实现波束的空间扫描和自适应捷变扫描,但可靠性低。第二阶段:有源相控阵雷达。有源相控阵雷达具有较高灵敏度、高可靠性、高探测 性能,由成百上千个独立固态 T/R 组件和辐射模块组成。每个辐射模块都是一个独立而 可控频率、幅度、相位的发射器和接收器,且由于独立性,阵列中 10%的模块单元失效 对系统性能的影响不大。有源相控阵配置具有更宽的带宽,需要的体积和主功率显著降 低,重量约为等效无源相控阵天线的 50%。第三阶段:数字相控阵雷达。数字相控阵雷达系统(DAR)依靠 T/R 组件数字电路 和微处理芯片,有很高的重构性数字化核心。其采用数字多波束形成技术,具有快速的 广域扫描速率、高灵敏度、更好的杂波对消、操作灵活性(多路同时波束,波束多路传 输)、更好的标校方式。

目前市面上相控阵雷达主要分为有源(主动)和无源(被动)两类。二者天线阵相 同,主要区别在于 T/R 组件数量。无源相控阵雷达在功率、效率、波束控制及可靠性等方面均劣于有源相控阵雷达,但技术难度更低,且其功能明显优于机械扫描雷达,因此 无源相控阵雷达作为相控阵雷达中的低端产品,具有很大的过渡价值和实用价值。

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2.2.2. 相控阵天线中的核心元器件——T/R 组件

天线是有源相控阵雷达最重要的组成部分,有源相控阵雷达工作方式的灵活性首要 取决于有源相控阵天线的性能,同时其成本很大程度上取决于天线的成本。除了传统雷 达天线具有的波束形成和波束扫描功能外,天线功能还包含发射信号功率放大和接收信 号低噪声放大。有源相控阵天线由辐射单元、T/R 组件、电源模块、控制模块、射频网 络模块、供电网络、液冷管网以及作为结构支撑的阵面骨架等组成,其中 T/R 组件是相 控阵天线中的核心元器件。

T/R 组件性能指标和数量直接影响雷达天线的指标,是有源相控阵雷达实现波束电 控扫描、信号收发放大的核心组件。T/R 组件指一个无线收发系统中射频与天线之间的部分,即 T/R 组件一端接天线,一端接中频处理单元就构成一个无线收发系统。T/R 组 件是由有源芯片和无源结构组成的整体,本质上为完全独立的发射接收前端,负责信号 的发射和接收并控制信号的幅度和相位,从而完成雷达的波束赋形和波束扫描。

相控阵 T/R 组件数量大,根据《大型相控阵雷达维修解决方案》论文数据,雷达天 线阵面庞大,高达数十米,阵面上天线单元(收发组件)数目庞大,如美国 AN/FPQ-16 相控阵雷达的天线单元数目多达 6600 个,AN/FPS-108 相控阵雷达的天线单元数更是高 达 34678 个。根据《机载有源相控阵火控雷达技术》介绍,T/R 组件阵列可占整个雷达 造价的 70%左右。

T/R 组件内的有源芯片的组成基本构成相同:T/R 芯片可分为放大器类芯片、幅相 控制类芯片和无源类芯片三类。具体产品包括功率放大器芯片、驱动放大器芯片、低噪声放大器芯片等。

T/R 组件的无源结构,由基板、传输结构、屏蔽腔体组成。其中基板是无源传输结 构和各种器件包括有源芯片的载体;屏蔽腔体是组件的外壳,起到结构支撑和电磁屏蔽 的作用。

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雷达发展趋势为数字化和集成化,T/R 组件作为相控阵雷达的核心组成,其发展趋 势和雷达整体协同一致,为设备集成化和信息处理数字化。

相控阵雷达 T/R 组件关键技术包括射频技术、子阵列集成技术、多波束形成技术、 双极化技术等,其技术发展决定了相控阵雷达的数字化和集成化程度。

2.2.3. 高集成化为 T/R 组件核心发展逻辑之一

纵观微波电路发展史,高集成化始终是电子系统和技术发展的趋势。总体看来,两个逻辑始终贯彻发展:1)大幅提高单个器件、MMIC 的技术水平,使各类 T/R 组件发 生革命性迭代;2)研发更优集成方案,在体积、重量和成本方面取得突破。其中,微波 毫米波多芯片组件(MMCM)技术、SIP 封装、3D 堆叠技术是广泛应用于军工产品,是产 品实习高集成度、高性能和微小型化的基础,应用前景广阔。MMIC 微波集成电路技术,是在同一块半导体基片上的集成多组模块的微波电路, 功能可以涵盖功率放大器、低噪声放大器、移相器和衰减器等模块。具有物理体量小、 能效高、稳定性佳、电路设计灵活和制造、维护成本低等优点,与通讯产业有效荷载小 型化、高集成模块化等要求相契合。其中,幅相多功能 MMIC 指集成了可以对微波信号 进行幅度控制的衰减器、相位控制的移相器及数字驱动器等多种功能的芯片,通常运用 于有源电子扫描阵天线等数字波束扫描领域。

随着宽禁带半导体技术的进展,新一代半导体芯片碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)单片 微波集成电路制成的 T/R 组件已开始用于相控阵雷达中,凭借高能量禁带、高击穿场强、 在小芯片尺寸上具有高射频密度、高热导性、高抗辐射等优越特性,有望将混合信号电 路的性能提升到更高层次,进一步推动新一代 T/R 组件技术的发展,从而进一步加强市 场渗透。

微波毫米波多芯片组件(MMCM)是为满足相控阵雷达 T/R 组件小型化需求而逐步 发展成熟的新型组装技术。MCM(MultiChipModel)将多个集成电路芯片连接于共用电 路基板上,并利用它实现芯片间互连,是一种典型的高级混合集成组件。以低温共烧陶 瓷 LTCC 多层基板技术、多层印制板技术等技术为代表。系统封装技术(SIP)和 3D 堆叠技术在 T/R 组件进一步集成化起重要作用。SIP 级 T/R 组件的核心内容是三维多芯片组装(3D-MCM)。T/R 组件从二维平面结构提升 到三维堆叠结构演变。SiP 技术从封装的立场出发,对不同芯片进行并排或叠加的封装方式,将多个具有 不同功能的有源电子元件(MEMS\光学器件)与可选无源器件组装实现单个标准封装。

三维异构集成(3Dheterogeneousintegration)微系统技术成为下一代应用高集成

电子系统技术发展重要方向,是新一代装备向小型化、高性能、低成本方向发展的主要 支撑技术之一。该技术基于 MEMS 硅腔技术、TSV 硅转接板技术、高精度 MMIC 微组 装技术和低温圆片键合技术,实现多功能异质芯片及无源器件的一体化三维集成。3D 堆叠技术通过实现GaAs/GaN 为代表的化合物芯片与硅基芯片的异构集成及纵向三维集成,通过堆叠技术或过孔互连等微机械加工技术,使其在 Z 轴方向上形成立体集成、信 号连通及圆片级、芯片级、硅帽封装等封装和可靠性技术为目标。3D 堆叠技术降低了 芯片功耗,相比传统模组可以有效缩减信号传输路径和系统面积实现器件及模块性能的最大化,提高射频系统集成度,在应用中拥有较强优势。

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基于芯片堆叠式的 3D 技术目前广泛应用于 SiP 领域。将功能相同的裸芯片从下至 上 堆 在 一 起 , 形 成 3D 堆 叠 , 再 由 两 侧 的 键 合 线 连 接 , 最 后 以 系 统 级 封 装 (System-in-Package,SiP)的外观呈现。受限于摩尔定律的极限,单位面积可集成的元件 数量越来越接近物理极限,而 SiP 封装技术、3D 堆叠技术实现更高的集成度,是突破 摩尔极限的优选。

在相控阵领域,应用该技术可实现射频芯片和无源传输结构及天线阵元的三维一体 化集成和高性能气密性封装,以及模块化低成本快速组阵能力。SIP 级 T/R 组件的发展 将会更多依赖于微电子工艺集成,进一步提升 T/R 组件的集成度,将加大相控阵雷达的 小型化程度。长期发展来看,T/R 组件技术将迎来以异构集成为主的微系统,目前国内 多家军工民营企业都已布局涉猎,未来将有较大发展空间。

2.2.4. 顺应装备信息化潮流,T/R 组件向数字化迈进

同时,数字化也是不可阻挡的发展趋势,数字化组件发展和数字信号处理优化是其 两个主要发展方向。起初,相控阵雷达依靠模拟电路进行数据处理。模拟信号的随机性 和抖动特性,限制了雷达信号处理发展。随着 70 年代电子技术的进步,数字波束形成(DBF)技术诞生,雷达信号处理的相位控制直接用数字移相完成。相控阵雷达开始进 入到数字阵列雷达时代。数字阵列雷达是雷达系统与数字信号处理技术两者结合的产物, 其在发射端和接收端都可使用数字多波束形成技术,是未来雷达系统发展的趋势。数字 阵列雷达系统不仅包含传统相控阵雷达系统的优点,而且其动态范围大和抗干扰能力强, 同时还具有低损耗、低副瓣、高自由度、高角度测量精度等优势。

1)数字化 T/R 组件

数字 T/R 组件作为数字相控阵雷达的重要组件,具有控制方便,较小相位误差和 损 耗 等 特 点 , 决 定 数 字 相 控 阵 雷 达 的 性 能 。T/R 组件的数字化是通过 DDS (DirectDigitalSynthesis)生成的数字型号,利用数字方式计算得到多波束发射权值的 幅度和相位。控制相控阵接收、发送信号的幅度和相位,并且各通道无需模拟移相器和 衰减器就能控制发射信号的相位和幅值,进而可以灵活的控制发射波束指向和形状。数 字 T/R 组件的数字驱动器从集成并口多功能向集成串口多功能发展,减少 T/R 组件之间 的互联,可以提高组件的集成度、稳定性并降低功耗。

在数字化的芯片研发方面,锗硅等工艺实现的 MMIC 可以利用成熟的 CMOS 数字 逻辑半定制或全定制数字驱动器功能,主要包括了数字 T/R 移相器、数字 T/R 衰减器和 数字化相控阵天线系统,具有控制方便,较小相位误差和损耗等特点。未来数字化 T/R 组件广泛应用,对于 T/R 组件的需求量将大大提升,未来市场有 望扩张。数字相控阵雷达其核心是为每个相控阵通道单元或模块配备等量的射频直采 ADC/DAC,以实现海量多波束空间合成,同时,每个通道都需要一个单独 T/R 组件,在 数量上远超原本模拟相控阵雷达 T/R 组件。目前数字化相控阵雷达处于发展阶段,未来 稳定广泛应用之际,数字化 T/R 组件需求量存在大量提升。

2)数字波束形成(DBF)技术

传统的模拟相控阵雷达采用移相器和功率合成网络进行射频雷达信号合成处理,缺 乏多波束工作能力;而新型的数字相控阵雷达则在数字域进行相位合成,可实现大量波 束同时处理与分发的能力。其核心是为每个相控阵通道单元或模块配备等量的射频直采 ADC/DAC,以实现海量多波束空间合成多波束形成技术是通过同一天线形成形状、大 小均不同的多个波束,广泛应用于传统相控阵雷达和数字阵列雷达。由于每个波束可同 时独立工作,雷达多目标探测、搜索、定位、跟踪等性能得到较大提升。20 世纪 80 年 代,数字信号处理技术的发展带动了波束形成技术从模拟实现方式进入了数字实现方式, 用数字方式在雷达发射端或接收端实现多波束形成。数字波束形成技术(DBF)根据探测 多波束的需求,使用不同波束形成算法来得到多波束发射的权值,再结合基带信号得到 各发射通道需要的多波束发射信号,信号的接收处理则由数字 T/R 组件完成。

数字波束形成技术具有硬件复杂度低、可灵活改变波束的指向和形状、强抗干扰能 力可同时实现多波束形成、输出信噪比高的优点,同时也降低了信号处理过程中信息的 损失。利用数字波束形成技术,接收机将阵列天线接收到的各路信号都变成数字信号进 行灵活的数字技术处理以形成波束,并且能够尽可能的保持各个天线的阵元接收到的全 部有用信息到数字处理端。降低信息的损失。目前,国外发达国家的 SMART 舰载三坐 标雷达、舰载相控阵雷达 MESAR 等都已经使用了数字波束形成技术。

3. jun民雷达应用产业格局,相控阵雷达为主流发展趋势

3.1. jun用民用领域重要组成,相控阵雷达为主流发展趋势

雷达在军事上是防空和作战系统的重要组成部分,同时也被广泛应用于气象预报、 资源探测、环境监测、交通管理等民用领域。雷达优势众多,应用广泛。雷达电磁波有 一定的穿透能力,不受雾、云和雨的阻挡,具有全天候全时的特点,且发射功率大、探测距离远、测量精度较高、可自动搜索并跟踪目标的能力。电子对抗在整体军队备战以及战争对抗过程中,扮演着越来越重要的角色,电子对抗战争频率远高于热战频率,电子装备更新是大势所趋。雷达作为主战装备的“火眼金 睛”,已成为各类先进作战平台不可或缺的单元,是实现远程打击、精确打击的必要手段,是发挥装备作战效能的倍增器。同时自身高精度探测性,雷达在民航交通、自动驾 驶、气象预报等方面均有着广泛应用。

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3.2. jun用雷达产业现状:信息化装备对抗核心,攻防兼备电子之眼

jun用雷达是获取陆海空天电五大战场全范围战术情报最主要的手段,在jun事情报领域具有极其重要的战略地位,广泛应用于警戒、武器控制、侦查和航行保障等领域。jun用雷达的应用需求可以分为两个类别:一是在电子战(电磁对抗、频谱占领)中作为电 子屏障承担军事保障、支援和战略预警功能。二是作为辅助装备信息化系统,搭载于陆海空天多型主战装备,如海jun舰艇、空jun战机、陆jun战车搭载的雷达系统,广泛用于侦查、火控、制导等信息化作战需要。

3.2.1. 电子对抗承担jun事保障、支援和战略预警功能

电子对抗已从起初辅助保障行动发展为如今主战支撑行动。在电子对抗中,专用电子设备、电子打击武器系统破坏敌方电子设备的工作效能,同时保护己方电子设备正常工作。电子摧毁、随伴随扰等电磁领域攻防能力,已成为衡量一支jun队战力强弱的标准配置,雷达在战场上起到置敌抗先的角色。

电子侦察最主要是获得对方雷达特征信号特征和位置信息等关键信息,包括舰船,飞机,火控雷达等装备的特征信号。目前电子战环境日益复杂,雷达识别己不仅仅局限于不同型号的雷达,同型号雷达个体间的识别尤为重要。实现同型号雷达识别的键是提 取出每一部雷达所特有的“指纹”特征,实现雷达个体的判别和追踪。这些“指纹信息” 由雷达内部元器件差异造成,表现形式为雷达发射信号的幅度变化、频率漂移和相位噪声等。飞机设计成隐身形式,火控雷达,路基雷达一般情况下都处于静默状态,目的就 是为了降低雷达信号特征。

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电子战机中,J16D 等电子战飞机采用最新有源相控阵技术,可以完成对敌方陆基探测及火控雷达的干扰和定位,组织己方 SEAD 单位进行攻击,创造对地/海打击的窗口;在防守端,歼-16D 具备强大的电子战能力,能够破坏、瘫痪防御电磁系统。在性能上可与美jun的电子战机“咆哮者”匹敌。J-16D 的服役,已经大大改变了太平洋的jun事力量平衡,也表明我国电子战技术已经上升到了新的层次。歼-16D 挂载的 PKZ930 系列电子吊舱能够和自身的航电系统融合,能够兼顾三种电磁作战模式,一是无线电侦 察模式、二是航空集群主动防护干扰模式、三是主动进攻性干扰模式,具备侦察、防护、 攻击于一体的综合电子作战能力。

3.2.2. 搭载海陆空主战装备,扮演信息化辅助装备角色

主战设备中,有源相控阵雷达替代机械雷达已成主流发展趋势。机载和舰载预警及火控系统、地面和舰艇防空系统、精确制导等领域都应用有源相控阵雷达技术并且列装。机载雷达技术发展正在扩大攻击机的作战优势并扩展系统新的用途。美国国防部关于美国jun用机载雷达报告中强调 AESA 技术可以大幅扩展雷达的功能,提高雷达的作战应用范围毫米波有源相控阵技术作为目前雷达探测领域最前沿的技术之一,将主要应用于机、舰等的高端雷达装备。相控阵体制将提高机载雷达在电磁环境中对付快速、机动和隐身目标以及彻底改进可靠性。

我国经过jun队信息化改革和装备迭代,现役战机均已经大部分覆盖装列升级相控阵雷达。新型预警机已普遍采用相控阵雷达,按照通用的战斗机划代标准,三代机主要配备脉冲多普勒雷达,四代机及以上主要配备相控阵雷达。大规模生产并列装四代机、五代机是现我国战略空军建设、空jun现代化建设的必然要求,机载 AESA 雷达也将随着更多歼-10、歼-11、歼-15、歼-16 以及新型号如歼-20、歼-31 的列装而加速发展。

对于舰船而言,舰载雷达是其千里眼。在航母编队中,应对预警机雷达、超视距雷达扮演重要角色,同时与星载雷达进行协同合作,以实现远程探测与超远程探测和武器的精确打击。在舰载方面,我国海岸线长,同时周边局势复杂,暗流汹涌。我国对制海权的监护需求与日俱增。当前,我国jun舰正逐渐装备多功能相控阵雷达,进行信息化装备迭代, 未来随着有源相控阵雷达不断的渗透替代,T/R 组件市场空间广阔。舰载 AESA 多功能 雷达集搜索、跟踪和火控于一体,大幅地缩短了防空反导的反应时间,已经成为护卫舰雷达配置的普遍选择,单雷达舰船成为了现实。根据 GFP 数据显示,中国海jun拥有 714 艘舰艇,总吨位将近 110 万吨。052C 型驱逐舰是我国海军第一种安装四面有源主动相 控阵雷达的战舰,被称“中华神盾”。随着我国第二艘航母的正式交付列装,带动航母战斗群附属配套舰艇的投入,推动军用舰载雷达发展。

美国方面,随着信息化电子战装备发展,近年美国海军舰队增加大量具有弹道导弹防御能力的 CG-47“提康德罗加”级巡洋舰和 DDG-51“阿利·伯克”级驱逐舰等“宙 斯盾”舰船进行。“宙斯盾”舰船可以实现多处部署,为舰载雷达从多个角度探测并跟踪来袭弹道导弹、水面及水下威胁,且系统更加灵敏。随时移动的舰船也让敌方的探测和跟踪系统难以截获信号,提高了己方的生存能力。根据美国国会预算办公室(CBO) 于 2011 年 3 月 9 日发布的《美国海军造船计划分析报告》,美国海军的“宙斯盾”舰船 总数量在 2011 财年年底实现 84 艘,并于 2020 年和 2021 年达到顶峰,实现 93 艘的保 用量。

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3.3. 民用雷达产业,气象、交通、智能装备多领域应用

民用雷达在气象、交通、智能装备多领域广泛应用。其中,空管雷达扮演信息系统 为空中交通安全保驾护航。气象雷达是用于警戒和预报中、小尺度天气的主要探测工具 之一,种类可分为风廓线雷达、多普勒天气雷达、毫米波雷达和相控阵雷达。

在智能装备方面,把毫米波相控阵雷达安装在汽车上,可以测量从雷达到被测物体之 间的距离、角度和相对速度等。作为一种非接触式传感技术,现已广泛应用于 ADAS(高 级驾驶辅助系统)、自动驾驶领域,在 L2 以上自动驾驶系统中基本成为标配。市场发展 潜力大。卫星互联网是基于卫星通信的互联网,通过在低轨道部署一定数量的卫星形成规模 组网,为全球提供宽带互联网接入等通信服务。目前,世界主要国家都在大力发展相控 阵天线技术,并在卫星上不断应用,例如 SpaceX 的 Starlink 系列卫星,均采用了相控阵 天线。相控阵天线电扫特性凭借避免传统的卫星抛物面天线转动给卫星姿态控制系统带 来的干扰,成为卫星天线技术的重要发展方向之一。

3.4. 我国雷达产业呈现jun用为主,民用为辅的业务应用产业链格局

3.4.1. 雷达产业链以jun工科研院所为主,民营军工企业技术、产品配套层级不断提升

雷达产业链整体呈现军用为主,民用为辅的业务应用格局。上游产业链包括半导体 材料、元器件、芯片、电源等,中游产业链包括 T/R 组件,雷达天线等,下游产业链包 括雷达系统和雷达整机。雷达属于jun工产业链,目前国内产业竞争格局表现为军工科研院所为主,民营jun工企业技术、产品配套层级不断提升。近年来,国家针对jun品市场出台一系列政策,鼓励 军民,包括公司在内的一批具备军品科研能力的民营企业逐步进入市场。jun工科研院构 成研发一级配套厂商团体,二、三、四级配套厂商科研院所参与比例依次降低,民营企业参与比例依次提升。

3.4.2. 上中下游行业竞争格局各有特色,企业分块竞争市场

上游段业务,民营企业为主,jun工科研所参与研制。其中半导体器件制造商龙头为三安光电、立昂微、海特高新,电源产品以四创电子为主,T/R 芯片中国电科 13 所, 55 所以及民营企业中铖昌科技,国博电子、振芯科技、臻镭科技领先市场。中游段业务,jun工科研所和民营企业合理分工,共同分配市场。T/R 组件生产以中国电科 14 所、13 所、55 所及其下子公司以及民营企业天箭科技、雷电微力、亚光科技 为代表。雷达天线以中国电科 54 所,民营企业华讯方舟、三信防务为主要生产商。下游段业务,军工科研院所基本构成,民营企业基本不参与业务发展。其中雷达整机主要生产商为中国电科 14 所、38 所、20 所、27 所、29 所,航天 23 所、航天 25 所、天和防务占主要市场份额。

3.4.3. 雷达产业jun工科研所研发各有侧重,辅助贡献雷达发展力量

中国目前主要存在 12 大jun工集团格局,研究方向各有侧重,互相辅助而又环环相扣。雷达行业所覆盖的jun工科研所主要包括中国电科集团旗下的众多研究所,包括 14 所、13 所、55 所、29 所,38 所,以及其他航院所、兵器所等,研究发展方向各有侧重的同时又能整体互相辅助结合。旗下上市公司也都在行业内提供了核心力量。

4. 国防信息化建设、装备优化、jun贸扩张三驾马车共同驱动市场规模持续提升

国际咨询公司 ForecastInternational《2011 年-2020 年全球主要国家军用雷达市场预测》数据显示:2019 年全球主要国家jun用雷达市场约 120 亿美元,同比增长 7.23%,2020 年,全球jun用雷达市场规模约为 143.4 亿美元。相控阵雷达市场规模发展主要与国家军费投入增长、国防信息化建设进程、相控阵雷达产品替代、jun贸对外扩张等因素有关。

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4.1. jun国防信息化建设发力,国家jun费预算增长

《十四五规划和 2035 年远景目标纲要》明确提出,要“加快国防和jun队现代化,实现富国和强军相统一”,“确保 2027 年实现建jun百年奋斗目标”,具体要“提高国防和jun队现代化质量效益”和“促进国防实力和经济实力同步提升”。因此,在大国博弈的环境下, 加强国防建设的必要性长期存在。根据《2022 年中央和地方预算草案报告》,2022 年我国jun费预算 1.45 万亿元,同比 增长 7.1%,2022 年同比增速较 2021 年上升 0.3pct。同时,商务部投资促进事务局报告, 预计到 2025 年,国防信息化开支可能达 2513 亿元,占国防装备支出 40%。从长线观察, 持续且稳定的jun费投入,是国防建设发展的基石,也是jun工行业产业多维开花结果的源头活水。

4.2. 相控阵技术优势明显,产品替代渗透率增加

技术发展 40 载,有源相控阵雷达技术已经成为目前雷达技术发展的主流趋势,在jun用、民用领域均保持快速渗透。根据产业信息网预测,2019 年我国jun用雷达市场规模 达 304 亿元,预计 2025 年市场规模可达 565 亿元。目前来看,有源相控阵雷达的市场规模仍较小,近年来才实施规模性量产,替代市场空间大。根据 ForecastInternational 数 据分析,2010 年-2019 年全球有源相控阵雷达生产总数占雷达生产总数的 14.16%,总销 售额占比 25.68%。ForecastInternational 预测有源相控阵雷达(AESA)市场规模:到 2025 年机载雷达将占据全球jun用雷达市场的 35.6%;陆基和海基(舰载)占 27.3%和 17.2%;声呐和空基占 19.8%。

在jun用领域,按装载平台不同,jun用雷达分为路基雷达、机载雷达、舰载雷达及星载雷达。根据StrategicDefenseIntelligence 发布的《全球军用雷达市场 2015-2025》预测, 2025 年机载雷达与陆基雷达将合计占据超过 50%的市场份额,机载雷达有望成为占据 市场比重最大产品。jun用飞机需求数量提升、老旧机型更新换代,jun用机载雷达市场有望扩张。雷达作为电子类设备,其发展和更新换代的速度要快于战机型号的发展,已服役战机通过更换升级 雷达设备以提升作战性能为必然趋势。根据英国航空航天杂志 FlightInternational 发布的 《WorldAirForce2021》数据,从武器装备方面来看,我jun当前武器装备列装与美俄等jun事强国相比仍存在规模和结构性差距。以空军主战装备为例,至 2020 年末,我国装备各型战斗机/武装直升机共1571/902架,而美军列装战斗机/武装直升机数量分别达到2717/5436架。

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4.3. 上游半导体技术突破,下游军贸拓展共同助力雷达产业持续扩张

4.3.1. 上游技术突破,国产替代双驱动助力发展

雷达产业链上游主要涉及基础电子元器件、原材料等的生产以及仿真测试等环节。从产业端来看,新型雷达产业发展以及新一代产品替代与新一代半导体产业高度绑定,新一代雷达的发展趋势为集成化和数字化,关于集成化,固态集成电路已经成为有源相控 阵主流核心元件;同时作为雷达核心组成部分的 T/R 组件正呈现出向着更大功率和更高 频段发展的明确趋势。新一代半导体材料将是未来相当长一段时期内决定有源相控阵雷 达产业前景的基础先决条件。在材料方面,T/R 组件从砷化镓(GaAs)向氮化镓(GaN) 迭代的路线高度确定;在工作频段方面,有望将雷达的工作期间频率提升至太赫兹。半 导体元器件产业发展迎合国产替代、国产自控的国家政策,有望形成进一步市场规模的 扩张,从而带动下游端雷达产业的规模扩张趋势。

据 YoleDevelopment 数据,2018 年全球移动终端射频前端市场规模为 150 亿美元, 预计 2025 年有望达到 258 亿美元,7 年 CAGR 达到 8%。市场空间的扩大来自其单机价格的提升,从 2G 到 5G 移动设备价格逐步提升,市场空间也相应扩大。

国际领先企业起步较早,在技术、专利、工艺等方面具有较强的领先型,并拥有完 善齐全的产品线,高端产品研发实力雄厚;相比之下,国内生产厂商目前主要在射频开关和低噪声放大器实现技术突破,并逐步开展进口替代。射频前端芯片行业因产品广泛 应用于无线通信终端,行业战略地位将逐步提升,国内的射频前端芯片设计厂商亦迎来 发展机会,在全球市场的占有率有望大幅提升。

4.3.2. 全球局势动荡,军贸扩张有望为军用雷达带来更为广阔的市场空间

俄乌冲突是影响全球军贸变化的一个关键节点,为其他国家带来强jun警示。其中, 北约各国做出jun工长期战略调整,加强jun队建设,并承诺大幅增加jun事预算来应对俄罗斯的威胁等。这场战争加速了多国新一轮的jun费开支,部分国家jun费以军贸形式流向其他jun事强国。

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jun贸销售市场中,根据 2021SIPRI 数据,全球前五大武器出口国依次为美、俄、 法、中、德,合计占全球 76.88%。我国只占了4.6%的市场份额,仍有很大的增长空间。近年来,我国jun贸保持销量高速增长。根据 SIPRI 数据,2013-2022 年间,中国jun贸出 口累计 163.72 亿 TIV。受新冠疫情影响,2020 年,中国jun贸出口仅 7.04 亿 TIV,为近 10 年最低出口量。2021 年以来,随着疫情影响消退,我国jun贸出口恢复良好,2022 年 出口量达 20.17 亿 TIV,同比增速保持 38%的高增长率。

结合我国jun贸出口大国的地位,国内jun用雷达有望在jun贸市场拓展空间。2022 年 俄乌战争中俄罗斯军队表现疲软,尤其是信息化装备作战中,与北约乌克兰军队装备差异较大,恐致其军贸业务份额缩减,中国作为第四大全球军贸出口国,有望抢占更多信息化装备市场份额。2022 年,我国 J-10 战斗机出口巴基斯坦、FK-3 防空导弹系统出口塞尔维亚等jun贸业务,广受业界关注。我国jun贸产品中,防空武器装备、精确制导导弹、 导弹等武器装备出口趋势明显增加,飞机、无人机技术接近国际先进水平,以实现批量出口,在国际市场崭露头角。近几次的信息化战争(以色列周边冲突、俄乌战争)凸显了无人信息化装备的价值, 相信jun备进口国会加大无人作战装备的费用支出。随着我国jun用雷达技术向着世界先进水平不断提升,雷达装备代际更替进程持续向前,国内厂商种类丰富、性能先进的jun用雷达产品有望销售到更多的国家进行贸易往来。

4.3.3. 数字阵列雷达创造更多场景应用需求,集成化技术拓展业务领域

数字阵列雷达作为新一代雷达技术发展代表,不论是在电子战中进行电子侦察、电子对抗或是搭载在无人机、战斗机、驱逐舰等火力装备上,都将作为更优解的战争之眼。高速高精度 ADC/DAC 是相控阵雷达的核心器件,数字相控阵芯片需求量远高于传统体制。在数字相控阵雷达中,其核心的数字化需要大量的高性能 ADC/DAC 工作于单元级或模块级射频组件,对于数字阵列雷达的核心部件直接数字式频率生成器(DDS)、 AD/DA 转换器需求量有所要求。在国防、航天等领域,数据转换器直接决定了雷达系统的精度和距离。十四五军队信息化装备迭代,预期数字阵列雷达将广泛装载,高精度 DDS 和 ADC/DAC 芯片未来有望放量生产。

SIP 和三维异构技术进一步优化 T/R 组件集成度,大幅降低雷达体积和成本。三维异构集成技术为相控阵系统的应用需求提供了芯片化、低成本集成的技术路径,有望结 合搭载辅助小型无人机以及蜂群作战,拓展雷达业务领域。近年来,三维异构集成相控 阵微系统在微波毫米波核心器件、三维集成架构设计、低成本等方面不断取得技术突破, 使该技术有望在未来几年内在 5G 移动通信、通信雷达等领域实现广泛工程化应用。

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。报告出品方:东吴证券,作者:苏立赞、钱佳兴、许牧,转自:未来智库)

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