編者按："毫米波近炸引信技術，作為現(xiàn)代軍事與國防科技的重要突破，正引領著精確制導與武器系統(tǒng)的新一輪革新。本期瑞見由瑞鵬資產王蒙旨帶您深入剖析毫米波技術在近炸引信領域的最新進展與應用前景，探討其如何賦能武器系統(tǒng)實現(xiàn)更高精度、更強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)的深遠影響。"
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，射頻技術在無線通信領域中被廣泛使用。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、抗干擾、不易受環(huán)境影響等一系列特點，容易制成具有體積小、波束窄、方向性強、增益性高等特性的天線系統(tǒng)，在雷達、通信和電子對抗系統(tǒng)中得到了廣泛應用。微波通信的主要方式是視距通信，遠距離通信需要中繼轉發(fā)。毫米波通信具有以下特點：①視距通信：由于毫米波頻段高，受大氣吸收和降雨衰落嚴重，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，適用于點對點通信；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絡和系統(tǒng)。③全天候通信：毫米波對沙塵和煙霧有很強的穿透力，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或更為清晰地觀察目標的細節(jié)。⑥探測能力強：可以抑制多徑效應和雜亂回波，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?，毫米波元器件尺寸小，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制與解調。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、濾波器和射頻開關等。當前各種毫米波的器件、芯片以及應用都被市場非?？春们以诖罅块_發(fā)著。相對于微波頻段，毫米波有其上述的自身的特點。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、成像等方面有著更高的分辨率。 由于毫米波的前述特點，成為非常具有前景的通信手段，已在導彈制導、相控陣雷達偵測、飛行器高度計、電子圍欄、衛(wèi)星遙感等軍事領域得到廣泛應用。
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步?；谠擃惞に嚨暮撩撞ㄆ骷愋椭饕懈唠娮舆w移率晶體管（HEMT）、改性高電子遷移率晶體管（mHEMT）和異質結雙極性晶體管（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噴氣推進實驗室報道了工作至0.67THz的In PHBT放大器，2012年和2014年德國弗朗霍夫應用固體物理研究所報道了工作頻率超過0.6THz的mHEMT放大器。
GaN作為第3代寬禁帶化合物半導體，具有大的禁帶寬度、高的電子遷移率和擊穿場強等優(yōu)點，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90年代GaN材料制備技術的逐漸成熟，GaN器件和電路已成為化合物半導體電路研制領域的熱點方向，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。近十年來，GaN的低成本襯底材料碳化硅（SiC）也逐漸成熟，其晶格結構與GaN相匹配，導熱性好，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域飛速發(fā)展，日本Eudyna公司報道了0.15m柵長的器件，在30GHz功率輸出密度達13.7W/mm.美國HRL報道了多款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上功率密度達到296mW/mm.國內在微波頻段的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頻帶內脈沖輸出功率達到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用成為可能。國際半導體藍圖協(xié)會（InternaTIonalTechnologyRoadmapforSemiconductors）預測到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都已經分別達到了300GHz和500GHz，相應的硅基工藝電路工作頻率可擴展到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前的研究熱點之一。美國佛羅里達大學設計了410GHzCMOS振蕩器，加拿大多倫多大學研制了基于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，加拿大多倫多大學設計了140GHzCMOS接收機芯片和165GHzSiGe的片上收發(fā)系統(tǒng)，美國加州大學柏克萊分校首次將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現(xiàn)了包括在片天線的60GHzCMOS收發(fā)信機芯片，美國加州大學洛杉磯分校報道了0.54THz的頻率綜合器，德國烏帕塔爾綜合大學研制了820GHz硅基SiGe有源成像系統(tǒng)，加州大學伯克利分校采用SiGe工藝成功研制了380GHz的雷達系統(tǒng)。日本NICT等基于CMOS工藝實現(xiàn)了300GHz的收發(fā)芯片并實現(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，包含數(shù)字電路在內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中。在第二次世界大戰(zhàn)中，由于新型導彈的出現(xiàn)以及雷達技術的廣泛應用，使得近炸引信在20世紀40年代之后得到了飛躍發(fā)展。當時飛機上裝載的航空導彈數(shù)量有限，造價高且結構復雜，不可能像普通航空炮彈那樣大量消耗。同時，限于當時技術水平，在自動瞄準系統(tǒng)中存在無法避免的誤差致使導彈不能直接命中目標，因此，使導彈實現(xiàn)近感起爆的意義遠遠大于炮彈，這也使得近炸引信成為了不可或缺的裝置。另外，雷達技術的快速發(fā)展為近炸引信提供了新的技術支持。美國對近炸引信的研制雖然晚于英日等國，但很快將新的雷達原理應用到近炸引信上，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)引信和時間引信，其殺傷效果成倍或成幾十倍提高。這一事實也引發(fā)了世界各國對近炸引信的關注，紛紛投入大量的人力物力將最先進的技術優(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械觸發(fā)引信、電子時間引信發(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)字信號處理技術相結合，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，功能更加擴展，信息化水平顯著提升。導彈引信，是利用目標信息和環(huán)境信息，在預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、導彈等上面的一種引爆裝置。引信根據(jù)不同的實現(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，是一種裝備在導彈、炮彈、航空炸彈等彈藥上，在彈藥接近目標時，由目標本身某些物理場（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)行機構等組成。近炸 和武器的制導有不同的功能和作用，單從作戰(zhàn)的階段來看，制導是完成較遠距離的導引，近炸是貼近目標的近距離探測，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、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到最大化，其中近炸引信有具有很大的應用和很明顯的優(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于3-13發(fā)碰炸的效果，替換比在3-13。如果是測向攔截導彈要比迎面攔截更能以實現(xiàn)，目標小、機動速度快很難精確到米級別精準碰炸目標，所以就需要近炸。
近炸引信有的技術路線分為光電的（激光和紅外的）、有無線電的和微波雷達，其中微波雷達技術以毫米波探測技術為主，毫米波探測相比于激光和紅外在分辨率方面有所欠缺，但是光電技術很容易受到天氣、煙霧等影響，當戰(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彈引信技術方案的主流。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，預計到2028年將增至20.69億美元。
