前段时间网上有几张图传的很火，说的是湖北随州大洪山风景区，一座寺庙的房顶上，居然装了一座相控阵雷达。咋一看，还以为是《三体》里的红岸基地，被网友称为“大慈大悲相控阵菩萨”。
其实这座雷达是中国气象局，武汉暴雨研究所，联合当地有关部门合作建设的X波段双偏振相控阵天气雷达，不仅可以探测天气演变的宏观过程，还能获取降水粒子的形状、大小、相态分布、空间取向、降水类型等，可以在恶劣气象条件下，提供更加精准的天气预报预警服务，在反应速度、数据刷新率、多目标追踪能力等方面，更是完全碾压传统天气雷达。
其实，看到这座雷达，我的第一反应：这不就是051C驱逐舰上面，那部30N6E1“墓碑”相控阵雷达嘛！大家自行对比一下。相信很多人和我一样，看到有源相控阵雷达这个高大上的技术名词，肯定首先想到的，就是战舰、战机上面用的探测设备。与之对应的还有一种“无源相控阵”，那这二者到底有什么区别？除了军事，咱们老百姓能用得上吗？
先说雷达，传统雷达，我们一般的印象都是一个硕大的天线，不断转动扫描搜索目标。原理也很简单：雷达波往返的总时间乘以光速再除以2，等于目标距离。探测移动目标时，就利用多普勒效应近快远慢的原理：返回的信号频率和发射频率不一样，就可以根据频率差或时间差，来计算目标速度和移动方向。
传统的机械扫描雷达就像一个360度转动的手电筒，弱点很明显：数据刷新率低、存在探测盲区。特别是军舰在海上作战，受地球曲率的影响，很难发现低空目标。所以现在很多反舰导弹都采用低空掠海飞行来进行突防。
2016年，洛马公司发布了一段LRASM反舰导弹的宣传片，展示这种攻击模式，片中的假想敌就是俄罗斯的光荣级巡洋舰，没想到预言成真，去年俄海军的莫斯科号巡洋舰就是被同样的战法给击沉了。
而我们看中华神盾、宙斯盾的相控阵雷达，就是一块大平板，它的原理有点像苍蝇的复眼或者LED灯：把很多小雷达绑在一起，构成阵列天线。都被绑一块了，不能转动，还怎么搜索呢？
我们高中物理都学过波的干涉现象，当这些小天线同时发出同频率的电磁波时，会在干涉作用下叠加起特定方向的指向性波束。如果单个天线在发射时，有相位差，还是在干涉作用下，这些同频率，方向相同的雷达波，叠加波的方向会发生偏转。这样就可在不转动雷达本身的情况下，改变波束方向扫描，所以叫相控阵雷达，相位控制阵列雷达。
而且每个阵面还可以划分成，由一定数量雷达单元组成的子阵面，单个子阵面调节功率和波束方向，还可以作为独立雷达使用，这样一来就具备了多目标搜索能力。所以相控阵雷达面积越大，功率就越大，多目标搜索能力也越强。在实际使用中，相控阵雷达也有多种组合模式：土豪版就用四面固定阵，360度无死角搜索；次一等的双面阵或者单面阵旋转，顶个球用，牺牲一定刷新率也能做到4面盾的效果。
那有源相控阵和无源相控阵有什么区别呢？其实无论是有源还是无源，都是由一个个阵元组成的阵列，无源相控阵的每个阵元后面都有一个移相器负责控制波束相位，实现方向扫描，但所有阵元都共用一部接收机和发射机，只能被动调整发射信号的强弱。
所以无源相控阵英文全称是Passive Phased Array Radar，更准确的翻译应该叫被动相控阵雷达。
而有源相控阵，每个单元都有独立的接收机和放大器，被称为T/R收发模块(Transmitter and Receiver)。每个模块都集成了发射机、接收机、移相器等部件，相当于一部小雷达，这样即使有部分阵元损坏，也不会严重影响整部雷达性能，而且每个阵元都可以独立控制发射信号的强弱，所以有源相控阵的英文全称是这个Active Phased Array Radar，也叫主动相控阵雷达。
这就好比LED灯，无源相控阵只有一个开关控制所有灯的亮度，而有源相控阵每个灯泡都有一个独立的开关，来控制单个灯泡的亮度。所以无源相控阵只能同时搜索跟踪一个确定距离内的不同目标，而有源相控阵可以调整探测距离，同时搜索跟踪多个目标。
比如055驱逐舰的“海之星”S波段有源相控阵雷达，可以在500公里开外，同时搜索400个空中目标，并跟踪其中的100个，比伯克级的SPY-1无源相控阵领先一代，再配合桅杆上的4座X波段雷达。用一个终端同时控制S波段和X波段雷达，长波看高空，短波看低空，集大盾和小盾的优点于一身，就可以同时探测不同距离、不同高度的目标，以双波段雷达为分水岭，055就是划时代的产物。
055是集两种盾的优点于一身，但却有一款奇葩盾舰集两者的缺点于一身。这就是印度的加尔各答级，虽然它的雷达看起来是个小盾，但工作波段却是大盾的S波段，本质上是个缩水的大盾，也就是说加尔各答级既没有小盾的探测精度，又没有大盾的探测距离，完美实现了取短补长。
既然有源相控阵雷达这么好，为什么之前没有普及呢？答案就是一个字——贵。有源相控阵的核心就是T/R组件，它的作用是射频时，把信号放大到指定功率发射出去，接收时排除杂波，放大目标回波信号，还要进行相移控制，实现特定的扫描波束。而要实现这么多功能，核心就是性能优异的半导体材料。
目前先进的有源相控阵雷达，普遍使用砷化镓或者氮化镓晶体管元件。先来说下基本原理：我们都知道半导体材料主要是硅，元素周期表第14位，最外层4个电子，单质硅形成4个共价键的8电子稳定态，基本是绝缘体。
如果要成为做成半导体材料，就需要在其中掺入三价元素和五价元素，因为它们最外层电子数为分别是3和5。由于要形成4个共价键8电子稳定态，三价元素只能与外层电子数为4的硅（Si）形成3对共价键，留出一个空穴，由其他电子来补充，这种就叫P型半导体，又叫空穴型半导体。
而加入五价元素后，由于只需要四个原子形成共价键，多出一个电子，这种叫N型半导体，又叫电子型半导体。
如果在其中通入由P型到N型的电压，高压导通，低压不导通，这就成为一个最简单的半导体材料。这样只要顺着元素周期表中的三价元素和五价元素排列组合，就能做出一代代更先进的半导体材料。第一代是硅和锗，第二代是化合物半导体，砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb），而现在主流的第三代半导体材料就是氮化镓。
那么氮化镓有哪些优点呢？首先是更高的禁带宽度，就是被束缚的电子完成跃迁，实现导通所需的最小能量值。氮化镓的禁带宽度是砷化镓的2.4倍、硅的3倍。禁带宽度越高，也就意味着更高的击穿场强，功率密度越大。其次，更高的电子跃迁率，就是相同电压下电子移动的快慢，我们日常生活中接触最多的氮化镓元器件——手机快充就是基于这个性能，最后，它的散热性还好。性能的确优异，就是价格太贵了，因为镓稀缺，砷有毒，还需要特殊的机台，成本大约是硅单晶片的20多倍。价格要降下来，就得靠大规模的量产，相比军用，民用的需求显然更加巨大，市场牵引永远是技术进步的源动力。
2017年11月，英诺赛科解决了高温环境下，氮化镓薄膜冷却时容易发生破裂的问题，国内首条8英寸级硅基氮化镓生产线成功投产。2019年，中电科13所和55所联手，推出的新一代射频芯片项目，获得了“国家科技进步一等奖”，国产氮化镓技术走向成熟。
中国这个市场体量，你懂的，一旦民用市场能吃得开，必然会迅速白菜化，而且中国一搞就是全产业链，一旦铺开，相应的，相控阵雷达的T/R组件价格自然也就下来了。
结果就是国内的雷达、电子行业严重内卷，多个科研单位竞争激烈，部队胃口也被他们养得是越来越刁。现在的先进战机，你要是不装个有源相控阵都不好意思出来见人，说的就是你苏35。不光我们的歼10C、歼16、歼20，统一标配有源相控阵，甚至连出口的枭龙3也用上了有源阵，配合霹雳15，超视距空战能力吊打除阵风以外的所有印度战机。
不光是战机，装4面有源相控阵的052D一口气就卖了6艘，如果这单能成，那就是六七十亿美元的进账。就连20吨的无人试验艇，都贴了四个有源阵。300吨级无人艇居然还是双波段组合，分别负责搜索和火控，配置比伯克级还高。
所以咱们开头看到的，寺庙房顶上装雷达看天气也就不足为怪了。最近我刷短视频，还看到山东烟台的艾瑞光电推出了一款民用有源相控阵，用于草原放牧，野生动物保护。其实这种需要用雷达同时探测不同方位、不同距离目标的使用场景，和什么最接近呢？
就是日常开车啦，希望现在国内的新能源车也都赶紧上有源阵吧，让我们坐在驾驶室里，也能体验一把开万吨大驱055的感觉。继续发展下去，甚至相关专业的朋友也可以尝试一下用相控阵雷达配合激光，发明一个家用灭蚊器。
那其实说了这么多，大家也发现了：军品和民品，底层原理，核心技术，并没有本质区别。你平时用的手机快充，居然用上了万吨大驱雷达上的半导体材料。因为它们都是基于相同基础科学发展而来的应用科学，只不过侧重点不一样，说到底，并没有什么独特的，专用于军事的科学。
所以我之前就说过：一个国家的民用航空强，它的军用航空就一定强；汽车工业强，坦克工业一定发达。现在：一个国家的智能手机发达，他的军用电子也一定强。
反过来，还是拿印度举例，花高价从俄罗斯引进的苏30MKI，雷达还是无源阵，导弹也不行；我们给枭龙3换了有源阵，巴基斯坦用这种10吨级的轻型战机，就能凭借超视距空战能力，全面压制对手30吨级的双发重型机，因为现在的空战早就不是单纯拼机动玩狗斗了，现在的世界，也不仅仅是拼机械、钢铁、石油，而是拼芯片、计算机和互联网，将来还要拼AI、大数据、生物科学。
无论是科技进步，还是军事斗争，都是没有止境的，就像古代的炼铁、火药，近代的机关枪，现代的飞机，曾经先进的技术，秘密武器，不可避免的会扩散开来，不断的白菜化，最终成为大家都有的东西。要保证优势，就一定要在科技上领先一步，而要做到这一点，军民融合，协调发展，永远是最正确的道路。
