編者按："毫米波近炸引信技術(shù)，作為現(xiàn)代軍事與國防科技的重要突破，正引領(lǐng)著精確制導(dǎo)與武器系統(tǒng)的新一輪革新。本期瑞見由瑞鵬資產(chǎn)王蒙旨帶您深入剖析毫米波技術(shù)在近炸引信領(lǐng)域的最新進(jìn)展與應(yīng)用前景，探討其如何賦能武器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高精度、更強(qiáng)抗干擾能力與更低功耗，以官方視角展望其對國防安全及未來戰(zhàn)爭形態(tài)的深遠(yuǎn)影響。"
西安瑞鵬資產(chǎn)管理有限公司投資經(jīng)理射頻（RadioFrequency）是一種可以輻射到空間的高頻交流變化的電磁波，頻率范圍為300kHz~300GHz，波長1km~1mm，射頻技術(shù)在無線通信領(lǐng)域中被廣泛使用。射頻中較高頻段（300MHz-300GHz）又稱為微波頻段，波長范圍為1m~1mm。微波是分米波、厘米波、毫米波的統(tǒng)稱，其中毫米波頻率范圍為30GHz~300GHz、波長范圍為10mm~1mm。微波具有波長短、頻率高、穿透能力強(qiáng)、抗干擾、不易受環(huán)境影響等一系列特點(diǎn)，容易制成具有體積小、波束窄、方向性強(qiáng)、增益性高等特性的天線系統(tǒng)，在雷達(dá)、通信和電子對抗系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。微波通信的主要方式是視距通信，遠(yuǎn)距離通信需要中繼轉(zhuǎn)發(fā)。毫米波通信具有以下特點(diǎn)：①視距通信：由于毫米波頻段高，受大氣吸收和降雨衰落嚴(yán)重，通信距離較短。②具有“大氣窗口”和“衰減峰”：在某些特殊頻段附近，毫米波傳播受到的衰減較小，適用于點(diǎn)對點(diǎn)通信；在某些特殊頻段附近，毫米波出現(xiàn)衰減極大值，適用于安全需求較高的隱蔽網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)。③全天候通信：毫米波對沙塵和煙霧有很強(qiáng)的穿透力，幾乎能無衰減地通過沙塵和煙霧。④極寬的帶寬：毫米波帶寬高達(dá)273.5GHz，超過從直流到微波全部帶寬的10倍?？紤]大氣吸收后，總帶寬仍達(dá)135GHz，為微波以下各波段帶寬之和的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標(biāo)或更為清晰地觀察目標(biāo)的細(xì)節(jié)。⑥探測能力強(qiáng)：可以抑制多徑效應(yīng)和雜亂回波，有效消除相互干擾。⑦安全保密性好：毫米波波束窄、傳輸距離短，難以被截獲。⑧傳輸質(zhì)量高：由于毫米波的頻段高，干擾源少，頻譜干凈，信道穩(wěn)定可靠。⑨元件尺寸?。合啾扔谖⒉ㄆ渌ǘ危撩撞ㄔ骷叽缧?，易于小型化。
（2）射頻芯片
射頻芯片是指將無線電信號通信轉(zhuǎn)換成一定的無線電信號波形，并通過天線諧振發(fā)送出去的電子元器件。射頻芯片分為射頻前端芯片和射頻收發(fā)芯片，射頻前端芯片主要功能是實(shí)現(xiàn)信號的發(fā)射和接收，射頻收發(fā)芯片則是用于信號的調(diào)制與解調(diào)。射頻前端芯片包括功率放大器、低噪聲放大器、幅相控制芯片、濾波器和射頻開關(guān)等。當(dāng)前各種毫米波的器件、芯片以及應(yīng)用都被市場非常看好且在大量開發(fā)著。相對于微波頻段，毫米波有其上述的自身的特點(diǎn)。首先，毫米波具有更短的工作波長，可以有效減小器件及系統(tǒng)的尺寸；其次，毫米波有著豐富的頻譜資源，可以勝任未來超高速通信的需求。此外，由于波長短，毫米波用在雷達(dá)、成像等方面有著更高的分辨率。 由于毫米波的前述特點(diǎn)，成為非常具有前景的通信手段，已在導(dǎo)彈制導(dǎo)、相控陣?yán)走_(dá)偵測、飛行器高度計(jì)、電子圍欄、衛(wèi)星遙感等軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
二、毫米波芯片工藝路線及發(fā)展趨勢
傳統(tǒng)的毫米波單片集成電路主要采用化合物半導(dǎo)體工藝，如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等，其在毫米波頻段具有良好的性能，是該頻段的主流集成電路工藝。另一方面，近十幾年來硅基（CMOS、SiGe等）毫米波亞毫米波集成電路也取得了巨大進(jìn)展。此外，基于氮化鎵（GaN）工藝的大功率高頻器件也迅速拓展至毫米波頻段。
（一）毫米波芯片主要工藝路線
1、GaAs和InP毫米波芯片
近十幾年來，GaAs和InP工藝和器件得到了長足的進(jìn)步。基于該類工藝的毫米波器件類型主要有高電子遷移率晶體管（HEMT）、改性高電子遷移率晶體管（mHEMT）和異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管（HBT）等。目前GaAs、mHEMT、InP、HEMT和InPHBT的截止頻率（ft）均超過500GHz，最大振蕩頻率（fmax）均超過1THz.2015年美國Northrop Grumman公司報(bào)道了工作于0.85THz的In PHEMT放大器，2013年美國Teledyne公司與加州理工大學(xué)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了工作至0.67THz的In PHBT放大器，2012年和2014年德國弗朗霍夫應(yīng)用固體物理研究所報(bào)道了工作頻率超過0.6THz的mHEMT放大器。
GaN作為第3代寬禁帶化合物半導(dǎo)體，具有大的禁帶寬度、高的電子遷移率和擊穿場強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，器件功率密度是GaAs功率密度的5倍以上，可顯著地提升輸出功率，減小體積和成本。隨著20世紀(jì)90年代GaN材料制備技術(shù)的逐漸成熟，GaN器件和電路已成為化合物半導(dǎo)體電路研制領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向，美國、日本、歐洲等國家將GaN作為微波毫米波器件和電路的發(fā)展重點(diǎn)。近十年來，GaN的低成本襯底材料碳化硅（SiC）也逐漸成熟，其晶格結(jié)構(gòu)與GaN相匹配，導(dǎo)熱性好，大大加快了GaN器件和電路的發(fā)展。近年來GaN功率器件在毫米波領(lǐng)域飛速發(fā)展，日本Eudyna公司報(bào)道了0.15m柵長的器件，在30GHz功率輸出密度達(dá)13.7W/mm.美國HRL報(bào)道了多款E波段、W波段與G波段的GaN基器件，W波段功率密度超過2W/mm，在180GHz上功率密度達(dá)到296mW/mm.國內(nèi)在微波頻段的GaN功率器件已基本成熟，到W波段的GaN功率器件也取得進(jìn)展。南京電子器件研究所研制的Ka波段GaN功率MMIC在3436GHz頻帶內(nèi)脈沖輸出功率達(dá)到15W，附加效率30%，功率增益大于20dB。
3、硅基毫米波芯片
硅基工藝傳統(tǒng)上以數(shù)字電路應(yīng)用為主。隨著深亞微米和納米工藝的不斷發(fā)展，硅基工藝特征尺寸不斷減小，柵長的縮短彌補(bǔ)了電子遷移率的不足，從而使得晶體管的截止頻率和最大振蕩頻率不斷提高，這使得硅工藝在毫米波甚至太赫茲頻段的應(yīng)用成為可能。國際半導(dǎo)體藍(lán)圖協(xié)會（InternaTIonalTechnologyRoadmapforSemiconductors）預(yù)測到2030年CMOS工藝的特征尺寸將減小到5nm，而截止頻率ft將超過700GHz。德國IHP研究所的SiGe工藝晶體管的截止頻率ft和最大振蕩頻率fmax都已經(jīng)分別達(dá)到了300GHz和500GHz，相應(yīng)的硅基工藝電路工作頻率可擴(kuò)展到200GHz以上。
（二）低成本硅基毫米波芯片發(fā)展?jié)摿薮?/span>
由于硅工藝在成本和集成度方面的巨大優(yōu)勢，硅基毫米波亞毫米波集成電路的研究已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。美國佛羅里達(dá)大學(xué)設(shè)計(jì)了410GHzCMOS振蕩器，加拿大多倫多大學(xué)研制了基于SiGeHBT工藝的170GHz放大器、160GHz混頻器和基于CMOS工藝的140GHz變頻器，美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校等基于CMOS工藝研制了150GHz放大器等，美國康奈爾大學(xué)基于CMOS工藝研制了480GHz倍頻器。在系統(tǒng)集成方面，加拿大多倫多大學(xué)設(shè)計(jì)了140GHzCMOS接收機(jī)芯片和165GHzSiGe的片上收發(fā)系統(tǒng)，美國加州大學(xué)柏克萊分校首次將60GHz頻段硅基模擬收發(fā)電路與數(shù)字基帶處理電路集成在一塊CMOS芯片上，新加坡微電子研究院也實(shí)現(xiàn)了包括在片天線的60GHzCMOS收發(fā)信機(jī)芯片，美國加州大學(xué)洛杉磯分校報(bào)道了0.54THz的頻率綜合器，德國烏帕塔爾綜合大學(xué)研制了820GHz硅基SiGe有源成像系統(tǒng)，加州大學(xué)伯克利分校采用SiGe工藝成功研制了380GHz的雷達(dá)系統(tǒng)。日本NICT等基于CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了300GHz的收發(fā)芯片并實(shí)現(xiàn)了超過10Gbps的傳輸速率，但由于沒有功率放大和低噪聲電路，其傳輸距離非常短。通過采用硅基技術(shù)，包含數(shù)字電路在內(nèi)的所有電路均可集成在單一芯片上，因此有望大幅度降低毫米波通信系統(tǒng)的成本。近炸引信的出現(xiàn)可以追溯到20世紀(jì)30年代，德國是最先研制近炸引信的國家，之后，英、日等國紛紛加入了近炸引信的研制行列當(dāng)中。在第二次世界大戰(zhàn)中，由于新型導(dǎo)彈的出現(xiàn)以及雷達(dá)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得近炸引信在20世紀(jì)40年代之后得到了飛躍發(fā)展。當(dāng)時(shí)飛機(jī)上裝載的航空導(dǎo)彈數(shù)量有限，造價(jià)高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不可能像普通航空炮彈那樣大量消耗。同時(shí)，限于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平，在自動瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中存在無法避免的誤差致使導(dǎo)彈不能直接命中目標(biāo)，因此，使導(dǎo)彈實(shí)現(xiàn)近感起爆的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于炮彈，這也使得近炸引信成為了不可或缺的裝置。另外，雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展為近炸引信提供了新的技術(shù)支持。美國對近炸引信的研制雖然晚于英日等國，但很快將新的雷達(dá)原理應(yīng)用到近炸引信上，使得其迅速趕超，后來居上。無線電引信的出現(xiàn)大大提高了對目標(biāo)的高效毀傷能力，在二戰(zhàn)后期以及之后的朝鮮戰(zhàn)爭中都表現(xiàn)出了巨大的威力，相比于觸發(fā)引信和時(shí)間引信，其殺傷效果成倍或成幾十倍提高。這一事實(shí)也引發(fā)了世界各國對近炸引信的關(guān)注，紛紛投入大量的人力物力將最先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)先考慮移植到近炸引信上面。根據(jù)美國引信年會資料，國外引信從最初的機(jī)械觸發(fā)引信、電子時(shí)間引信發(fā)展到炸高精確控制的近炸引信，再到多選擇引信，最終已發(fā)展為彈道修正近炸引信。無線電引信也從早期的電子管型、晶體管型、固體電路型發(fā)展到特制集成電路型再到如今與全數(shù)字信號處理技術(shù)相結(jié)合，引信的集成化程度越來越高，精度逐漸提高，抗電磁干擾的能力逐步增強(qiáng)，功能更加擴(kuò)展，信息化水平顯著提升。導(dǎo)彈引信，是利用目標(biāo)信息和環(huán)境信息，在預(yù)定條件下引爆或引燃彈藥戰(zhàn)斗部裝藥的控制裝置，是裝在炮彈、炸彈、地雷、導(dǎo)彈等上面的一種引爆裝置。引信根據(jù)不同的實(shí)現(xiàn)原理可以分為以下幾種類型：近炸引信，又稱為近接引信或觸發(fā)引信，是一種裝備在導(dǎo)彈、炮彈、航空炸彈等彈藥上，在彈藥接近目標(biāo)時(shí)，由目標(biāo)本身某些物理場（如電場、磁場、聲波、壓力波、沖擊波、光輻射等）的作用而自動起爆的裝置，通常由敏感裝置、安全裝置、傳爆裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。近炸 和武器的制導(dǎo)有不同的功能和作用，單從作戰(zhàn)的階段來看，制導(dǎo)是完成較遠(yuǎn)距離的導(dǎo)引，近炸是貼近目標(biāo)的近距離探測，其他的諸如空投子母彈、高爆彈、云爆彈、反輻射彈、煙幕彈、防空反導(dǎo)、空空彈等等都需要配近炸。近炸的作用能夠使得武器的殺傷效果達(dá)到最大化，其中近炸引信有具有很大的應(yīng)用和很明顯的優(yōu)勢。高效的近炸能夠帶來更大的毀傷效果，相比于碰炸，一發(fā)近炸炮彈的殺傷力相當(dāng)于3-13發(fā)碰炸的效果，替換比在3-13。如果是測向攔截導(dǎo)彈要比迎面攔截更能以實(shí)現(xiàn)，目標(biāo)小、機(jī)動速度快很難精確到米級別精準(zhǔn)碰炸目標(biāo)，所以就需要近炸。
近炸引信有的技術(shù)路線分為光電的（激光和紅外的）、有無線電的和微波雷達(dá)，其中微波雷達(dá)技術(shù)以毫米波探測技術(shù)為主，毫米波探測相比于激光和紅外在分辨率方面有所欠缺，但是光電技術(shù)很容易受到天氣、煙霧等影響，當(dāng)戰(zhàn)場的第一波攻擊起來之后，就有很多的煙塵會影響光電的探測效果，但是毫米波具有很強(qiáng)的煙霧穿透能力，能夠保證全天候的作戰(zhàn)，尤其針對一些反隱身的裝備有著更高的成像精度和識別能力，低成本毫米波近炸引信將逐步成為導(dǎo)彈引信技術(shù)方案的主流。近年來，全球近炸引信市場呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的趨勢。這主要是由于近炸引信在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中扮演著至關(guān)重要的角色，尤其在提高彈藥命中精度、毀傷效果和作戰(zhàn)效費(fèi)比方面，具有不可替代的作用。數(shù)據(jù)顯示，2023年全球近炸引信市場收入為14.65億美元，預(yù)計(jì)到2028年將增至20.69億美元。
