剛看完N年一度的九三大閱兵，作為一名并不資深的軍迷，小編現(xiàn)在已經(jīng)是激動得坐不到工位上了~

今年的閱兵式上會展示各種各樣奪人眼球的新式裝備，在這篇文章推送到各位手上之前，海量的新裝備照片應(yīng)該已經(jīng)席卷了互聯(lián)網(wǎng)~

為什么小編一定要強調(diào)新裝備呢？這就得說起8月16日在軍迷圈子搶跑的那一輪裝備照片了。讓小編來說的話，只能說“除了99A都不認識不是怎么是99B啊”。

謝邀，剛看完閱兵，已經(jīng)是軍盲了

然而話又說回來了，不管新裝備的種類如何繁多，有心人肯定能注意到，許多裝備上都出現(xiàn)了一種“大平板”的身影，沒錯，就是所謂的有源相控陣雷達“AESA”。

圖為今年閱兵的預(yù)警探測方隊，可見明顯的折疊大平板特征

電影和現(xiàn)實中的1130，福建艦的1130已經(jīng)悄悄換裝了相控陣大平板

雖然不管是普通人還是普通軍迷，大家都認不出來新裝備是干什么用的，但是相控陣大平板作為近年來軍事報道以及各種新聞中的常客，大家應(yīng)該都很熟悉了。

電影《流浪地球2》中的核彈相控陣，通過控制爆炸時間將沖擊匯聚到中心

那么今天小編就以逐漸白菜化的相控陣雷達為切入點，帶各位讀者學(xué)點物理，也了解一下軍事技術(shù)日新月異的發(fā)展~

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什么是相控陣技術(shù)？

大家在搜索“相控陣”時，可能會看到這樣的專業(yè)描述：

“在天線理論中，相控陣通常指電子掃描陣列，即由計算機控制的天線陣列，它產(chǎn)生的無線電波束可以通過電子方式控制指向不同的方向，而無需移動天線。”

這樣的解釋雖然準確，但對非專業(yè)讀者來說，確實有些抽象難懂。今天，我們就從物理圖像出發(fā)，用最直觀的方式為大家講清楚：到底什么是相控陣？

讓我們暫時把相控陣放一放，先回顧一下波動光學(xué)中一個經(jīng)典的實驗——楊氏雙縫干涉。

（注：這里說的是經(jīng)典波動實驗，不是量子層面的單光子干涉，雷達技術(shù)還沒那么“玄幻”~）

雙縫干涉以及干涉條紋

如圖所示，從點光源發(fā)出的光照射在兩條狹縫上，使它們成為一對相干光源。它們發(fā)出的球面波在后方光屏上疊加，形成了明暗相間的干涉條紋。

我們小學(xué)二年級就已經(jīng)知道，單頻電磁波可以表示為三角函數(shù)的形式。如果借用復(fù)數(shù)的工具（歐拉公式），可以將電磁波表示成

在一對狹縫構(gòu)成的光源中，由于位置不同，它們與原始光源之間的光程R1和R2不同，這導(dǎo)致了兩點光源之間存在初始相位差。

此外，當這兩束光傳播到光屏上某一點時，由于狹縫間距d的存在，它們又會產(chǎn)生新的光程差r1-r2，因此，總相位差為

光屏上的條紋分布完全由這個相位差決定：當相位相差2nπ時，兩束電磁波峰值疊加，光強增強；當相位差為（2n+1）π時，兩束電磁波波峰與波谷互相抵消，光強相消。這種相位差在空間中的分布，就呈現(xiàn)為我們所看到的明暗交替的干涉條紋。

如果我們增加狹縫的數(shù)量，用類似的方法也可以計算多縫干涉的條紋分布?？梢灾庇^地想象：當狹縫數(shù)量越來越多時，干涉圖案會逐漸收斂，最終在某個方向上形成一個強度極高的主瓣，周圍則伴隨著一些強度較低的旁瓣。如下圖所示：

更復(fù)雜的干涉波形

基于以上內(nèi)容，我們可以討論，如果在每個干涉狹縫處人為增添一個逐次增加的相位差，會有什么效果呢？答案很簡單，形成的干涉條紋會開始左右轉(zhuǎn)動！

15個天線（波源）組成的陣列，通過控制波源之間的相位差調(diào)整主瓣指向

至此，相控陣的核心思想已經(jīng)呼之欲出：

所謂相控陣，就是通過直接控制陣列中每個波源的發(fā)射相位，從而改變合成波前的方向與形狀，實現(xiàn)波束的快速指向與掃描——整個過程完全由電子控制，無需機械轉(zhuǎn)動。

通過調(diào)節(jié)相位使得波前指向發(fā)生改變的示意圖

根據(jù)相位調(diào)節(jié)方式的不同，相控陣雷達可分為無源（PESA）與有源（AESA）兩種：

無源相控陣（PESA）：使用一個中央高功率發(fā)射機產(chǎn)生信號，再通過移相器網(wǎng)絡(luò)為每個輻射單元分配特定相位。

有源相控陣（AESA）：則是每個輻射單元都配有獨立的收發(fā)組件（T/R組件），可獨立控制信號的相位和振幅。這種架構(gòu)帶來極大的靈活性，使AESA在性能上對PESA形成代差優(yōu)勢。

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雷達的進化之路

雷達（Radar），源于“Radio Detection and Ranging”的英文縮寫，其基本原理是向空間發(fā)射電磁波，并通過接收目標反射的回波來探測物體的方位與距離。自誕生以來，這部“電子眼”就朝著三個方向不斷進化：看得更遠、看得更清、看得更快。

雷達的基本工作原理

早期的雷達往往配備不斷旋轉(zhuǎn)的巨型天線和裝滿真空管的機柜，運轉(zhuǎn)時發(fā)出低沉的嗡鳴。從最初的LC振蕩電路到后來的磁控管，雷達工作波段從米波逐步邁向微波，發(fā)射功率也大幅提升，實現(xiàn)了“看得更遠”。但受限于技術(shù)，早期雷達波束指向固定，必須依靠機械旋轉(zhuǎn)天線才能掃描整個空域。

機械掃描雷達就像一座電磁燈塔：通過物理轉(zhuǎn)動天線，周期性地“照亮”周圍空間。

老式機械掃描雷達

很像一座燈塔

這種雷達結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)門檻低，但其掃描速度受機械慣性限制，難以同時跟蹤多個目標。于是，工程師將目光投向了相控陣技術(shù)——它無需機械轉(zhuǎn)動，僅通過電子控制就能實現(xiàn)波束的快速掃描，刷新率和多目標跟蹤能力遠超機械雷達。

早在二戰(zhàn)期間，相控陣技術(shù)就已走上戰(zhàn)場。

1943年，USN大型戰(zhàn)艦上的Mark 8火控雷達是世界上第一部服役的相控陣雷達，使用機械移相器陣列實現(xiàn)相控陣效果。

Mark 8火控雷達，可見排列成三排的發(fā)射器

同一時期，納粹德國也搭建了使用機械式移相器的Mammut雷達。此時的相控陣采用單一微波源，經(jīng)過移相器陣列達成對波束相位的調(diào)制，屬于無源相控陣技術(shù)。

Mammut雷達，將1到2個波源發(fā)出的電磁波經(jīng)過6到8個移相器的調(diào)制，形成相控陣效果

這些早期系統(tǒng)都采用單一微波源＋移相器陣列的結(jié)構(gòu)，屬于無源相控陣（PESA）。盡管實現(xiàn)了電子掃描和多目標跟蹤，但由于系統(tǒng)復(fù)雜、電子管可靠性差，其在測量精度和穩(wěn)定性上仍有明顯局限。

轉(zhuǎn)機出現(xiàn)在1950年代。貝爾實驗室發(fā)明晶體管，其體積小、功耗低、可靠性高的特性迅速獲得青睞，并率先應(yīng)用于機載雷達。

巨大的晶體管和小巧的電子管

此時工程師們意識到，既然晶體管體積遠小于電子管，那我把無源相控陣的每個波源都換成一個晶體管發(fā)射器，不就可以單獨控制每個波源的相位了嗎？

于是，雷達技術(shù)的“終極形態(tài)”——有源相控陣雷達（AESA）登上了歷史舞臺。借助半導(dǎo)體工藝的飛速發(fā)展，AESA得以在有限空間內(nèi)集成成千上萬個獨立的收發(fā)單元（T/R組件），不僅掃描速度極快、能同時形成多波束，可靠性和精度也遠超傳統(tǒng)雷達。

有源相控陣be like

如今，有源相控陣已成為世界主流強國雷達技術(shù)的核心。而中國，正是這一領(lǐng)域發(fā)展最為迅速的國家之一。

各式各樣的現(xiàn)代相控陣雷達.

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無處不在的有源相控陣？

在之前的回顧中，相控陣雷達總是與“高性能、高復(fù)雜度、高成本”緊密相連。但如今，從軍事裝備到商業(yè)產(chǎn)品，相控陣技術(shù)似乎無處不在。難道這項技術(shù)一夜之間變得“白菜化”了？

事實并非如此。

至今，俄羅斯空天軍大量蘇-35S戰(zhàn)機仍在使用無源相控陣（PESA）雷達，航電性能明顯落后于中美。美國的情況也并不輕松：盡管AESA技術(shù)起步早、發(fā)展快，其主力驅(qū)逐艦“阿利·伯克”級直至最新的2A型仍廣泛使用SPY-1無源相控陣雷達。直到最近，才有一艘伯克3型服役，總算用上了先進的SPY-6有源相控陣系統(tǒng)。

滿頭天線的阿利伯克，和055相比簡直是某種現(xiàn)代違章建筑

回過頭看中國海軍，055型驅(qū)逐艦以一體化綜合桅桿和“四面盾”式設(shè)計，呈現(xiàn)出干凈利落的隱身外形。在這簡潔的外觀之下，是多波段有源相控陣雷達系統(tǒng)的高度集成與強大性能。

干干凈凈的055

這一切的背后，是一條半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的“暗線”——中國氮化鎵（GaN）基半導(dǎo)體技術(shù)已步入成熟階段。

在完善的產(chǎn)業(yè)鏈支持下，你甚至可以看到新能源相控陣坦克（感謝軍迷大佬 @老槍趙 制圖）

GaN作為第四代半導(dǎo)體材料，相比傳統(tǒng)的砷化鎵（GaAs）具有顯著優(yōu)勢：GaN可支持比GaAs高5~10倍的功率密度，極大提升雷達探測距離與分辨率；高溫環(huán)境下可靠性更強、壽命更長，大幅降低維護需求與成本；不僅用于軍用雷達，也快速滲透至民用消費電子、通信和工業(yè)領(lǐng)域。

也正是這些優(yōu)勢，推動GaN技術(shù)走出實驗室、走向大規(guī)模量產(chǎn)。市場爆發(fā)點恰恰來自民用需求，尤其是快速充電、5G通信基站、工業(yè)能源等領(lǐng)域。

大家手里應(yīng)該都有GaN充電器，這個是小編自己正在用的

甚至農(nóng)業(yè)無人機也可以帶盾，上圖大疆T60的兩個圓柱雷達內(nèi)部就是兩個相控陣雷達

民用市場的海量需求，推動中國GaN產(chǎn)業(yè)鏈迅速成熟——產(chǎn)能攀升、成本下降、可靠性不斷提高。這又反過來為軍事領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用AESA雷達打下堅實基礎(chǔ)，實現(xiàn)了“民技軍用”的良性循環(huán)。目前中國氮化鎵相控陣技術(shù)走在世界前列，就是這種正向循環(huán)的直接結(jié)果。

可以說，中國相控陣技術(shù)的普及和飛躍，是“軍民融合”戰(zhàn)略的一個生動縮影。技術(shù)不分軍民，創(chuàng)新沒有邊界，真正強大的科技生態(tài)，必然是實現(xiàn)“軍轉(zhuǎn)民”與“民參軍”的雙向賦能。

軍民團結(jié)如一人,試看天下誰能敵

結(jié)語

當閱兵式上戰(zhàn)機的呼嘯聲漸漸遠去，那些由無數(shù)“智慧之眼”構(gòu)成的相控陣雷達，卻仍在無聲地守護著我們的天空與海洋。

這項技術(shù)早已超越軍事，融入5G通信、醫(yī)學(xué)、超聲等生活的方方面面。它的輝煌，不僅源于電磁理論的精妙，更扎根于一個國家完整的產(chǎn)業(yè)鏈和自主創(chuàng)新的決心。

我們?yōu)槭荛喌募舛搜b備而震撼，為新中國的綜合實力位列世界前列而喜悅，更應(yīng)為背后不懈努力奮斗的人民群眾而自豪。

一萬年太久，只爭朝夕

參考資料：

[1] 馬科斯?玻恩,埃米爾?沃耳夫.光學(xué)原理:光的傳播、干涉和衍射的電磁理論[M].電子工業(yè)出版社,2006.

[2] 趙凱華,鐘錫華.光學(xué):重排本[M].北京大學(xué)出版社,2017.

[3] 張光義,趙玉潔.相控陣雷達技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社,2006.

[4]https://www.zhihu.com/question/1897535592243377191/answer/1899351625262404445

[5]http://pwencycl.kgbudge.com/M/a/Mark_8_fire_control_radar.htm

[6] https://zhuanlan.zhihu.com/p/439305696

[7] 大量軍事照片來源互聯(lián)網(wǎng)，初始來源難以考證

[8] https://www.dji.com/cn/support/product/t50

[9]https://baike.baidu.com/item/%E9%98%BF%E5%88%A9%C2%B7%E4%BC%AF%E5%85%8B%E7%BA%A7%E9%A9%B1%E9%80%90%E8%88%B0/7320509

[10]https://baike.baidu.com/item/055%E5%9E%8B%E9%A9%B1%E9%80%90%E8%88%B0/10244876

[11]https://mp.weixin.qq.com/s/Y0wkjMjRzmO8DAG87pTduA

編輯：K.Collider