相控阵T/R芯片龙头钺昌科技
来源:雪球App,作者: 慕容衣,(https://xueqiu.com/4866021334/249637800)
相控阵 T/R 芯片是高壁垒、高价值、高成长的优质赛道
高壁垒:相控阵 T/R 芯片位于产业链上游,市场较为封闭
相控阵雷达是由大量相同的辐射单元组成的雷达面阵,每个辐射单元在相位和幅度上独 立受波控和移相器控制形成不同的相位波束,相比于传统的机械式雷达,相控阵雷达可 以通过电控的方式自由调节各阵元的幅度激励与相位关系。
近年来,有源相控阵雷达以 其优秀的适应能力、抗干扰性、灵活性及功能多样性逐步替代传统的机械雷达成为主流 技术路线,在军、民两大领域加速渗透。
相控阵雷达的产业链由上游(芯片、元器件、结构件、电源等)、中游(T/R 组件)及 下游应用构成。
有源相控阵雷达的上游主要是芯片、元器件、结构件、电源等。其中相控阵 T/R 芯 片被集成在 T/R 组件中,负责信号的发射和接收并控制信号的幅度和相位,直接影响雷 达天线的指标。
相控阵 T/R 芯片的产业链上游主要为化合物晶圆代工厂。T/R 芯片产品 生产流程主要包括晶圆流片、测试、划片、捡片、取样、目检、复检等环节。
T/R 芯片 公司将自主研发设计的集成电路版图交由晶圆流片厂进行晶圆流片,公司测试后再由划片厂进行划片。根据 铖昌科技 招股说明书中披露,公司 2021 年的原材料采购中,晶圆 占据比例为 91.32%。
相控阵雷达的中游主要为 T/R 组件。T/R 组件主要由数控移相器、数控衰减器、功 率放大器、低噪声放大器、限幅器、环形器以及相应的控制电路、电源调制电路组成。
有源相控阵 T/R 组件内部除了实现主要功能的微波毫米波单片集成电路及器件外,还必 须设计相应的电源调制、保护和控制电路,以便按照有源相控阵雷达系统的控制要求进 行通信和响应。
一个 T/R 组件通常包含 2-8 颗相控阵 T/R 芯片,这些芯片通过 MCM 技 术与一些分立器件一起集成到基板上,最终封装形成 T/R 组件随后被集成于天线中。
T/R 组件市场包括整机单位内部配套和对外采购两种模式。部分整机厂商存在有源相控 阵 T/R 组件的需求。
该方式下由于整机厂商内配组件主要用于厂商自身的内部定制化需 求。而基于专业化分工的角度考虑,下游整机厂也会采用外购专业化公司 T/R 组件产品 的方式。
有源相控阵雷达可应用于下游星载、弹载、舰载、机载、地面等军用领域,同时也 可使用在 5G 基站、商用卫星等民用领域。
军工雷达下游生产研制单位主要分为总体单位(整机)、二级配套单位(天线)、三级配 套单位(元器件)和其他通用零部件供应商等多个层次。
我国军工雷达生产研制单位有 中电科 14 所、中电科 38 所、航天科工二院 23 所、中电科 29 所等单位。供应商获取订 单的方式主要为招投标、竞争性谈判等;预研项目招投标-延续性采购;商务谈 判。
相控阵 T/R 芯片行业具有较高的资质与技术壁垒,市场较为封闭。相控阵 T/R 芯片主 要应用于星载、机载、舰载、车载和地面等军用相控阵雷达中,产品性能要求高,具有 较高的技术要求。
目前国内具备微波毫米波相控阵 T/R 芯片研制量产能力的单位较少, T/R 芯片行业市场较为封闭,具有较高的资质、技术、人才及资金壁垒,准入门槛高。
资质壁垒:军工行业涉及国防安全和保密,参与军品生产的企业必须获得“三证”, 即武器装备科研生产许可证、武器装备承制单位资格、武器装备承制单位保密资格 认证及军工产品质量体系认证。资质证书获取存在较大困难且耗时长,提高行业准 入门槛。
技术壁垒:相控阵 T/R 芯片主要应用于星载、机载、舰载、车载和地面等军用相控 阵雷达中,产品性能要求高,具有较高的技术水平,要求企业有较强的研发能力和 技术积累。
尤其是是星载相控阵雷达,由于卫星制造成本极高,运行环境恶劣,对 芯片的性能有更高的要求。因此产品需经过较长时间开发、验证、技术迭代,技术 含量高。
人才及资金壁垒:不同于民用通信行业,军用设备对产品稳定性有极高要求,军品 行业历来有装备一代、研制一代、储备一代的传统。
每个型号产品从开始立项到 最终完成定型,历经方案论证、初样研制、正样研制、三大试验(环境适应性试验、 可靠性试验、电磁兼容性试验)、软件测评、型号鉴定等环节,往往长达 3-5 年, 且需投入大量的研发资源(人员、材料、第三方测试)。
国内相控阵 T/R 芯片的竞争格局十分集中,国内具有相控阵 T/R 芯片研发和量产的单 位主要为军工集团下属科研院所(中国电科 13 所和中国电科 55 所)以及以 铖昌科技 为 代表的极少数具备三、四级配套能力的民营企业,且市场较为封闭。
中电科 13 所于 1956 年成立,是我国重要的高端核心电子器件供应基地、半导体新器件新技术创新基地,主要研究方向包括:微电子、光电子、微电子机械系统、半 导体高端传感器、光机电集成微系统五大技术领域和电子封装、材料和计量检测等 基础支撑领域。
中国电科 55 所于 1958 年成立,是我国大型电子器件研究所,设有砷化镓微波毫米 波单片和模块电路国家重点实验室、国家平板显示工程技术研究中心。
中电科 55 所研发的 T/R 组件主要应用于各种相控阵雷达上,包括战斗机火控雷达、预警机、 “中华神盾”和防空用雷达等。五十五所在突破了砷化镓 T/R 组建之后近年研发了 氮化镓 T/R 组件,技术水平处于全国领先。
铖昌科技 成立于 2010 年,目前已拥有可覆盖 L 波段至 W 波段的各类相控阵 T/R 芯 片产品,产品主要包含功率放大器芯片、低噪声放大器芯片、模拟波束赋形芯片及 相控阵用无源器件等,是国内少数能够提供相控阵 T/R 芯片完整解决方案的企业之 一。
基于在星载相控阵雷达领域的技术积累,公司积极拓展产品应用领域,目前产 品已批量列装至地面、车载、舰载相控阵雷达等领域。
高价值:T/R 芯片是相控阵雷达的核心价值环节,成本占比近三成
相控阵 T/R 芯片是相控阵雷达最核心的元器件,直接影响雷达性能指标。相控阵雷达 由发射系统、天线阵列和波束控制、接收和信号处理系统、中心 计算机 、数据处理和显 示系统等组成。
T/R 芯片被集成在 T/R 组件中,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,其指标直接影响雷达天线的指标,对 雷达整机的性能起到至关重要的作用。
相控阵雷达的探测能力还与 T/R 芯片数量 密切相关,由于频段及功率的不同,一部相控阵雷达通常包含上千甚至上万个 T/R 芯片。
相控阵 T/R 芯片亦是核心价值环节,占据雷达系统近三成的成本占比。此前,高成本 是制约相控阵雷达应用的最大瓶颈。有源相控阵收发(T/R)芯片是有源相控阵系统的 最核心部分,直接决定了相控阵雷达的性能。
T/R 组件占相控阵雷达成本:根据 铖昌科技 的招股说明书,相控阵雷达成本的主要 部分为相控阵天线,作为相控阵天线的核心部件,相控阵 T/R 组件占整个雷达造价 的 60%。
根据草根调研,相控阵 T/R 芯片占据相控阵 T/R 组件成本的 50%以上。 则可算出 T/R 芯片占据整个相控阵雷达的成本占比约 30%
高成长:预计军用 T/R 芯片市场将在 25 年超百亿,低轨卫星用 T/R 芯片增速高
军用
根据 铖昌科技 招股说明书中的披露,2019 年我国军用雷达市场规模达 304 亿元,预计 2025 年市场规模可达 565 亿元,年复合增速接近为 10.88%。
随着相控阵雷达的渗透率持续升高,我们预测 2025 年军用雷达相控阵 T/R 芯片的市场 规模将超百亿,且随着有源相控阵雷达的渗透及单个相控阵雷达中所用通道数的提升, T/R 芯片市场规模的增速将快于军用雷达市场增速。
民用
据《2018 中国商业航天产业投资报告》,单颗卫星成本平均投入约为 3000 万元人民币。 但考虑到现处于组网前期,制造的规模效应并不明显,流程化生产仍处早期。
故我们预 计目前低轨卫星单星造价为 5000 万元,后续随标准化、流程化生产的不断成熟,单星 制造成本将持续下降。
根据草根调研,一颗卫星上平台及载荷分系统的成本占比分别为 60%及 40%,其中天线 分系统占载荷分系统成本占比的 50%。
根据上文我们的测算,T/R 芯片成本占比为 3 成, 则可以算出在组网前期 T/R 芯片成本占据单星造价的 6%。
卫星互联网具有不可替代的覆盖优势,是 5G 之补充,6G 之初探。轨道与频段资源的稀 缺性日益凸显,各国布局脚步加快。
美国 StarLink 计划至今累计发射 2600 颗低轨卫星, 2021 年 4 月,中国星网集团在雄安新区注册设立,成为首家注册落户雄安的中央企业, 具有重要的示范效应。河北省委书记倪岳峰在调研时表示,中国星网集团是我国卫星互 联网事业发展的核心力量。
2020 年,中国将卫星互联网纳入“新基建”范畴,同时将其提升为国家战略性工程。 2022 年 3 月 5 日,西昌卫星发射中心用长征二号丙运载火箭成功将银河航天 02 批六颗 低轨宽带通信卫星送入预定轨道,我们预测 2022 年发射组网卫星有望达到 10 颗。
中国 航天科技集团有限公司八院科技委秘书长潘军在中国航天大会商业航天产业(国际)论 坛上表示,保守估计,未来 5-10 年,我国商业小卫星的发射需求超 4000 颗。
我们认为, 低轨卫星互联网作为我国商业小卫星的重要组成部分,其制造及发射需求也将呈现爆发 式的增长,在国家的示范效应带动下,低轨卫星互联网的组网进程将持续加速。
我们预 测,我国在 2029 年有望实现 830 颗卫星的组网。随我国制造能力提升,单颗卫星制造 成本逐年下降,则可以算出 2022 年发射的 10 颗低轨卫星对应的市场空间约为 3000 万 元,至 2029 年对应约 4.7 亿的市场空间,且在 2022-2025 年间市场规模高速扩张。
下游解构:相控阵雷达渗透带动相控阵 T/R 芯片在军民两域加速放量
相控阵雷达将逐渐替代传统雷达成为主流技术体制
根据天线波束扫描控制方式的不同,雷达可分为机械扫描雷达、机电扫描雷达、频扫雷 达和相控阵雷达、合成孔径雷达等。
相控阵雷达全称为 Phased Array Radar,即相位控制电子扫描阵列雷达。相控阵雷达是 由大量相同的辐射单元组成的雷达面阵,每个辐射单元在相位和幅度上独立形成不同的 相位波束,在雷达工作时,发射机通过馈线网络将功率分配到每个天线单元。
相控阵雷达的核心原理在于电磁波的干涉现象。相控阵雷达拥有大量独立的天线单元, 每一个都可以独立的发射和接收电磁波,当独立单元的波向外传播时就会发生波的干涉 现象,当波不同步传播时就会出现相位的移动。
相控阵雷达可以通过 计算机 来控制每一 个单元所发出来的电磁波的相位差,在它们相互干涉之后,就能得到精确可预测的辐射 方向图和波束指向。
相比于传统的机械式雷达,相控阵雷达可以通过电控的方式自由调节各阵元的幅度激励 与相位关系,其核心优势在于:相控阵雷达的波束指向具有灵活性。
相控阵雷达可以不需要天线驱动系统就能实现 无惯性的扫描,可以大幅缩短搜索、定位与跟踪时间; 功能的多样性、机动性强。
相控阵雷达可以同时形成多个波束并且对其进行独立的 控制,可以同时完成多部普通雷达的工作内容,如多目标跟踪、捕获、识别、制导 甚至是性能评估等;
目标容量大。相控阵雷达可实现边搜索边跟踪的工作方式,并与 计算机 相互配合能 对多个不同方向、不同高度的目标进行有效的发现、勘探以及进行跟踪,可以实现 多个目标的同时跟踪,适用于多目标、多方向、多层次空袭的作战环境; 对复杂目标环境的适应能力强、抗干扰性能好。
相控阵雷达分为有源相控阵雷达与无源相控阵雷达,有源相控阵雷达逐渐取代无源相控 阵雷达成为主流:
无源相控阵雷达又称无源电子扫描阵列(Passive Electronically Scanned Array, PESA),无源相控阵雷达有多个天线单元但是只有一个发射机,每个天线辐射源通 过 计算机 控制相移,然后在天线的前组合/叠加,从而改变波束的指向角度。
相较 于传统的机械雷达,其最大的特点是为每一阵元分配了独立的移相器。典型的无源 相控阵雷达系统包括 AN/FPQ-16 PARCS at Cavalier Air Force Station 等。
有源相控阵雷达又称有源电子扫描阵列(Active Electronically Scanned Array, AESA), 相比于无源相控阵雷达,其核心区别于为每一阵元配置了一组完整的发射/接收组 件,即每一个组件都能自己产生、接收电磁波。
有源相控阵将移相、放大、收发转 换以及接收/放大功能集成到单独的有源收发模块,集成度与灵敏度更高。典型的 有源相控阵雷达包括 F-22 上的 AN/APG-77 多功能火控雷达等。
有源相控阵雷达优势明显,为当前雷达的主流体制。相较于传统的机械扫描雷达,有源 相控阵雷达具有扫描速度快、灵活性高、目标容量大、抗干扰能力强等优势;
相较于 无源相控阵雷达,有源相控阵雷达每个辐射器都配装有一个发射/接收组件,每一个组 件都能独立产生及接收电磁波,单个 TR 组件损坏也不影响雷达整体性能。
因此在频宽、 信号处理和冗余设计上都比无源相控阵雷达更优,在功能上具有探测距离明显增大、效 率及可靠性更高、截获概率低等优势。
有源相控阵雷达将逐渐替代机械扫描雷达、无源 相控阵雷达成为主流,是当前雷达的重点发展方向。
有源相控阵雷达具有较大的渗透空间。相控阵雷达于 20 世纪 60 年代开始问世,美国和 苏联相继研制和装备了多部相控阵雷达多用于洲际导弹预警。
20 世纪 80 年代,随着超 大规模集成电路、固态功率器件、电子移相器等技术的成熟与成本的降低,相控阵雷达 的应用持续渗透。
根据 Forecast International 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%,仍有很大的提升空间。在 国防信息化战略下,我国相控阵雷达的渗透率将持续提升。
军用:武器装备量增+升级需求共振,相控阵雷达下游渗透加速
从宏观视角看:我国武器装备研制军费持续投入,重点型号装备在近年来逐步定型列装, “十四五”是武器装备建设的兑现期、井喷期,由过去的“研制定型及小批量建设”转 变为“放量建设”,兼备景气度与确定性。
军工雷达作为国防信息化建设中的重要一环, 将充分享受黄金大列装时代红利,进入批量列装阶段。
从微观视角看:有源相控阵雷达是雷达技术迭代至今的主流形态,在星、弹、机、舰、 地面五大领域随新型号装备及原有型号技术升级加速渗透。
相控阵 T/R 芯片作为有源相 控阵雷达的高价值环节,充分受益武器装备量增及升级的需求共振。
宏观视角:国防信息化建设景气支撑军用雷达 数百亿 市场
军费是推动我国军工行业增长的主要资金来源,整体看来,我国军费支出绝对值较高, 但相对水平在世界范围内仍然处于较低水平,存在较大的增长空间。
从绝对水平上看:根据 3 月 5 日上午开幕的十三届全国人大五次会议上提交审议的 预算草案,我国 2022 年的国防支出为 14504.5 亿元(约 2296 亿美元),比 2021 年 增长 7.1%,充分彰显国家加快国防建设的决心,处于世界领先水平。
但从相对水平上看:根据斯德哥尔摩国际和平研究所(SIPRI)数据,我国国防支 出/GDP 占比明显偏低,维持在 1.9%-2.0%的稳定比例,2019 年我国人均国防支出仅 1.89%,与美(2019 年为 3.41%)、俄(2019 年为 3.88%)等国家存在差距。
国 防支出/GDP 占比偏低的现象反映了我军武器装备总体水平相对落后、信息化建设 不足的现况。存在进一步提升空间。
从国防支出的结构上看,我国在国防装备方面的支出结构呈现优化趋势。我国国防费由 人员生活费、训练维持费及装备费三部分组成,各自约占三分之一,其中装备费主要用 于武器装备的研发、试验、采购、维修、运输及存储。
2015 年以来随着我国裁军、军改 等的推进,装备的列装速度不断加快。根据《新时代的中国国防》白皮书披露,2017 年 装备费占国防费比例为 41%,相比 2010 年提升 7.9pct。
对比美国军费结构,我国军队装备建设还处于“补课”阶段,预计我国国防预算将逐渐 向武器装备和训练维持倾斜。
我们预测,在军费总投入规模维持增长的基础上,军费的 投入结构有望持续优化,装备采购投入将得到相应提升,武器装备投入增速将快于整体 军费增速。
根据商务部投资促进事务局发布的报告,预计到 2025 年,国防信息化开支 可能会达到 2,513 亿元,占国防装备支出的 40%,其中核心领域有望保持 20%以上的复 合增长。
信息化战争登上历史舞台,对国防和军队建设提出新的要求。人类战争在经历了徒手战 争、冷兵器战争、机械化战争之后,信息化战争登上历史舞台,其基本概念为“以信息 化武器作为主要作战工具,以信息战为主要作战形式进行的战争”。
信息化战争的到 来加剧了世界各国战略力量对比的不平衡性,对我国国防建设与发展提出挑战,国防军队的现代化建设是重要的发展方向。
信息化战争具备鲜明的时代特征,具体表现为: 信息资源主导化:信息影响战争的关键在于准确获得战场信息并及时用于决策和控 制,信息是核心资源,是部队战斗力的核心要素;
武器装备信息化:信息时代的战争以信息化武器装备为物质基础,信息化的武器装 备系统构成主要包括信息武器系统、单兵数字化装备及 C4ISR 系统;
作战空间多维化、作战节奏快速化、作战要素一体化、作战指挥扁平化、作战行动 精确化。
我军日益重视国防信息化投入,成为国防支出的重要方向。国防信息化是为了适应现代 战争发展需要而建设的国防信息体系。从国家政策层面看,国家高度重视军工信息化发 展。
在 2015 年 5 月发布的《中国的军事战略白皮书》中,十余次提及“信息化”;在 十九大报告中,国家提出 2020 年信息化建设取得重大进展的指引;
在《中共中央关于 制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标的建议》中提出加快机 械化、信息化、智能化融合发展。
我军日益重视国防信息化投入,国防信息化将成为军 队建设的关键领域。 雷达被誉为“信息化战争之眼”,是国防信息化的重要组成部分。
雷达利用电磁波发现 并探测目标物体的空间位置,具有探测距离远、测定速度快、全天候服务等特点,广泛 应用于探测、遥感、通信、导航、电子对抗等领域。
雷达是实现精确打击的必要手段和 武器系统的测试评估手段,在现代战争下担负着目标的精确、实时、全天候侦察监视任 务,同时可以对弹道导弹、巡航导弹等大规模破坏性武器进行探测与跟踪,是作战系统 的首要视觉传感器。
雷达被称为信息化战争之眼,与卫星导航、 信息安全 、军工通信与军工电子共同构成国 防信息化五大领域。
微观视角:相控阵雷达伴随武器装备提质补量快速渗透
目前,军用雷达已经广泛地采用了相控阵技术,多数陆基、海基、空基和天基武器平台 均装备了相控阵雷达产品,包括预警机及战斗机雷达、舰载雷达、星载雷达等等,有望 在数年内大规模列装,在下游领域加速渗透。
机载:已成新型战斗机及老机型升级的重要趋势
军用飞机总量及代际结构上看,我国军机呈现“总量少、机型结构不合理、先进机型代 际差距大”的现状。尤其我国军机的总量及先进飞机数量均与美国存在较大差距,仍有 较大的提升空间。
目前距离“构建以四代装备为骨干、三代装备为主体的武器装备体系” 仍有很大差距。在新时期空军“空天一体、攻防兼备”的战略目标下,我国军机“量增” 及“升级”需求凸显,驱动新型装备加速发展及列装,提高自动化及信息化程度。
量增需求: 我国军机总数与美国存在较大差异,总量提升需求凸显。军用飞机是直接参加战斗、保 障战斗行动和军事训练的飞机的总称,在夺取制空权、防空作战、支援地面部队和舰艇 部队作战等方面发挥重要作用。
根据《World Air Force 2022》,2021 年美国以 13246 架 的在役机队数位居世界第一,占比全球在役军机总数的 24.9%,俄罗斯和我国分别位于 第二、第三位,在役机队规模分别为 4173 架和 3285 架,占比仅为 7.8%及 6.2%。
升级需求: 从代次结构上看,我国三、四代战机总量占比较低,空军装备换装列装需求迫切。从战斗机的机型结构上来看,我国四代机占比仅为总量 2%,有 47%为二代机型,52%为三 代机型。
与 2018 年 11 月提出的“以四代装备为骨干、三代装备为主体”的战略目标 仍有较大差距。目前我国二代机具有较大的存量空间,三代机及四代机有望在未来将加 速放量,催生出响应的换装空间。
按照其功能和载机平台的不同,机载雷达一般分为:气象导航雷达(配装运输机、直升 机等)、预警雷达(配装大型预警指挥)、搜索监视雷达(配装大中型运输机、 无人机 等)、成像侦察雷达(配装大中型运输机、无人机等)、多功能火控雷达(配装战斗机、 轰炸机等)。其中机载火控雷达的性能高低与战机攻击时的成效紧密相关。
机载有源相控阵雷达已经成为下一代机载火控雷达发展的必然趋势。以美国 F/A-22 为 代表的第四代战斗机具备低可探测性及高度综合化的航电系统。
其强大功能的实现依 靠以机载有源相控阵雷达(AESA)为核心的综合航空电子系统,F/A-22 战斗机的 AN/APG-77 和 F-35 战斗机的 AN/APG-81 多功能雷达具有强大的雷达功能以及通信功能, 是第四代机战斗机优异性能的集中体现。
法国的“阵风”战斗机、欧洲“台风”战斗机、 瑞典 JAS-39“鹰狮”战斗机等均装备有源相控阵雷达3。
将相控阵技术应用于机载火控雷达中,可实现对多目标进行远程捕获和攻击的能力、提 升雷达的可靠性与可维护性及生存能力,显著提升战机性能。有源相控阵雷达是机载火 控雷达的发展方向4。
在 2016 年的中国航展上,中国电子科技集团公司第 14 研究所将被誉为“战鹰之眼”的K LJ-7A机载有源相控阵火控雷达带上展会。KLJ-7A机载有源相控阵火控雷达能轻 松搜索并引导攻击空中多个目标,不仅对空本领大,还能对地面、海面目标搜索和成像。
根据中国电科 14 所技术专家王宏哲介绍,这是枭龙飞机现役KLJ-7 型机械扫描雷达 的技术升级换代产品,属于第四代雷达5。
随我国战斗机新机型放量+老机型改装更新,以及在预警机上的持续装备,相控阵雷达 在机载军用雷达市场的需求量将有望逐渐增长。
弹载:作为弹载武器的倍增器受益武器消耗及升级
相控阵雷达是精准制导的效能倍增器。雷达作为武器装备的“千里眼、顺风耳”,成为 精确制导武器系统的重要组成部分,它使导弹武器系统探测识别性能得到了大幅度提升。
相控阵雷达技术的成功应用是对传统雷达的一次技术革命,相控阵雷达能同时针对多个 目标,极大地拓展了雷达使用功能,有效地提高了抗干扰能力,确保了导弹武器系统己 方优势的有效发挥。
与机械扫描雷达导引头相比,相控阵雷达导引头的优势包括,大功率孔径积,作用 距离远;结构紧凑尺寸小,有利于全弹性能提升;无惯性扫描,中末制导交班能 力强;宽工作带宽,全数字化抗干扰;柔性降级,工程应用高可靠。
各国相继突破相控阵雷达导引头技术,争先应用在精确制导武器上。2014 年,洛马公 司发射了一种类似于 AIM-120 空对空导弹的新型空对空导弹。该导弹采用先进的多频 段多模有源相控阵天线。
俄罗斯新推出的 K-77M 空对空导弹嵌入 64 元有源相控阵天线, 于 2015 年 2 月开始量产,成为首款配备嵌入式相控阵天线的空对空导弹。日本 F2 战斗 机用三菱公司的 AAM-4B 空战导弹进行升级。
该导弹配备了有源相控阵天线和改进的 数据传输系统,这使得导弹的射程范围增加了 40%8。 导弹作为练兵备战消耗性产品,具有持续补库存需求。
随着实训推动导弹消耗增长以及 现代高技术战斗装备推动导弹的更新换代,弹载相控阵雷达的渗透率也有望快速提升。
舰载:已是“中华神盾舰”的标配
舰载相控阵雷达是“中华神盾舰”的标准配置。“海之星”雷达系统即在我海军 052C、 052D 装载雷达基础之上研制的舰载相控阵雷达,而后这套系统也被移植到 055 型大型 驱逐舰和航母之上。
目前,这款雷达技术非常成熟,可靠性、安全性、抗毁伤能力强, 是所谓“中华神盾舰”的标准配置。
星载:随我国空间基础设施体系的完善持续渗透
在我国高分三号系列卫星及高分十二号卫星均搭载了有源相控阵雷达。高分辨率对地观 测系统工程是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020 年)》确定的 16 个重 大专项之一,由国防科工局、总装备部牵头实施。
我国高分系列卫星种类包含光学卫星 及雷达卫星,且其中高分十二号 02 星及高分三号系列卫星均搭载了有源相控阵天线, 均由中国电科 14 所研制,天线各项功能、性能均达到国际先进水平。
北斗三号也均装载了相控阵天线,是北斗星座星间链路的核心设备。北斗卫星导航系统 是中国自行研制的全球卫星导航系统,于 2020 年 6 月 23 日北斗全球系统组网完成。
在 北斗系列卫星中,北斗三号也采用了相控阵技术。北斗三号某星间链路相控阵天线是我 国北斗星座星间链路的核心设备,被称为太空中的“高精度标尺”,可以实现精确的 “握手”,在进行信息交互的同时,可以精密测量出对方的位置精度,保障导航星座的 精确在轨自主运行。
我国的十四五规划和 2035 远景目标中再次明确提出要“打造全球覆盖、高效运行的通 信、导航、遥感空间基础设施体系”。
目前有关导航计划的北斗卫星群已组网完成,而 有关遥感系统的高分辨率对地观测系统(CHEOS),也在持续部署高分卫星,除此之外, “风云”气象卫星系列也在持续扩容。
有源相控阵雷达有望伴随我国通信、导航、遥感 空间基础设施体系的不断完善持续渗透。
地面:地面站/终端/车载台未来渗透空间大
早在 1964 年我国就开展了地面相控阵雷达的研究。7010 雷达 1972 年开始小面阵天线的 安装和调试,安装在北京以北几百千米海拔 1600 米的黄羊山上。
1976 年进行全面阵天 线的安装、调试,并投入运转,同年成功完成对“东风”4 导弹的全程监控任务。1977 年正式投入使用。1977 年以后 7010 雷达多次完成中国导弹、卫星观测任务。特别是可 以为 110 雷达提供目标指示,共同组成测量网。
地面站具有多种形态分类。地面站是地面与太空的“桥梁”,可以按照站址是否固定、 G/T 值大小、信号特征以及业务类型进行分类。
根据站址是否固定,可以将地面站分 为固定站、移动站(动中通车载站、船载站、机载站)及可拆卸站(静中通车载站便携 站、背负站);
根据地面站品质因数 G/T(天线增益/噪声温度),可分为大型站(国 际通信)、中型站(大城市、大企业)及小型站(小企业及个人);
根据业务性质,地 面站可以分为用来遥测卫星参数和控制卫星姿态的遥测跟踪站、用来进行通信业务传输 的通信业务站、用来监视转发器及地面站通信系统的通信参数测量站。
地面移动终端及平台同样需要相控阵天线,成本降低是商业化及规模化的关键。地面的 用户终端设备主要分为手持终端(卫星电话)和移动终端(车载、船载、机载终端)等, 由射频芯片、基带芯片、调制解调器及功率放大器等核心组件构成。
如果对于 Ku、Ka 等频段的卫星围绕地球做高速相对运动,那么地面固定类的终端也需要配置伺服跟踪系 统以具备跟踪指向能力。而对于移动终端而言,必须通过跨星切换,同时与 2 颗卫星建 立链路,才能保证地面终端的不间断通信。
从技术实现上看,抛物面双天线设备的体积 和质量较大,而相控阵天线体积小、能够实现波束指向的快速变化,具有明显优势。
民用:卫星互联网制造先行,打开相控阵雷达增量市场
历经三阶段迭代升级,低轨卫星互联网的技术能力完善,卫星互联网具有不可替代的覆 盖优势,是 5G 之补充,6G 之初探。轨道与频段资源的稀缺性日益凸显,各国布局脚步 加快。
卫星组网制造先行,卫星制造亦是价值分布最为密集的环节。相控阵天线可通过调幅调 相实现波数在卫星覆盖视场任意可调,灵活性及精准性显著提高,海外多个低轨卫星计 划均采用了相控阵天线技术。
T/R 芯片作为卫星载荷系统中天线分系统的重要组成,也 是核心利润环节,将直接受益卫星互联网组网起量,打开相控阵雷达民用增量市场。
低轨卫星互联网具有不可替代的覆盖优势,是各国跑马圈地的战场
卫星互联网的发展探索始于 20 世纪 80 年代末期,至今经过了三阶段的迭代升级。从服 务内容上看,卫星互联网由传统中低速话音、数据、窄带物联网服务为主的星座系统, 迭代成为可提供高速率、低延时、容纳海量互联网数据服务的宽带星座系统;
从市场定位上看,由最初与地面通信系统的竞争替代,逐步转变为相互补充、竞合协同关系;从 技术上看,高通量趋势下,新一代卫星互联网采用 Ku、Ka、V 等较高频段。
平台技 术逐步成熟,通过定制化、规模化、集成化的生产方式显著降低卫星制造成本;
从建设 主体上看,前二代卫星互联网主要参与者为摩托罗拉等电信企业,在新一代卫星互联网 的建设中,SpaceX、OneWeb 等高科技企业纷纷入局,电信运营商也由竞争对手转变成 为产业链中的重要合作伙伴。
发展至今,新一代卫星互联网星座已具有明确定义,即由数百甚至上千/万颗运行在低 地球轨道(LEO)的小型卫星构成,能够提供宽带互联网接入服务的通信卫星星座。
新一代卫星互联网相比于地面通信系统,其优势在于: 覆盖范围广:目前,地面网络只覆盖陆地面积的 20%、地球表面的 5%,卫星互联网 容量大、不受地域影响,可实现全球无缝覆盖,解决偏远地区、海上、空中用户的互联 网服务需求。
建设成本低:相比于地面 5G 基础设施及海洋光纤光缆建设,卫星互联 网组网成本更低,且随着研制集成化、标准化、平台化技术的持续推进,未来卫星制造 及发射成本将持续下降;
时延媲美 5G:5G 典型端到端时延为 5-10ms 左右,低轨卫 星距离地表较近,按最高 3000km 高度计算,时延约 20ms,相比传统高轨卫星的时延有 显著降低;
高带宽:高通量技术的成熟可有效提升单星容量,降低单位带宽成本,打 开下游应用蓝海。
卫星互联网补足 5G 低密度用户接入场景,与 5G 优势互补。对于城市用户而言,5G 通 信低资费、大带宽、小体积终端的优势仍然十分明显,卫星互联网并不能进行替代。
针对偏远地区的用户、飞机/船舶上的乘客、野外科考队员,或对于开矿、油气/天然气 开采、货运交通跟踪、环境监测等场景而言,卫星互联网的全球覆盖的能力及成本优势 不容小觑。
低轨卫星通信面向特定区域、用户群的应用市场前景广阔,尤其在 5G 时代 仍然存在数字鸿沟,卫星互联网是能够提供全面覆盖服务的低成本工具。
卫星互联网具有不可替代的覆盖优势,是 5G 之补充,6G 之初探。传统提供话音服务 的移动通信星座与地面通信系统存在竞争关系,最终因前期投入成本高、收入回报较低 等原因宣告失败。
目前高速发展的宽带低轨卫星星座具有高带宽、覆盖范围广、建设成 本低、时延较高轨卫星明显优化等优势,可有效弥合 5G 时代的数字鸿沟,针对偏远地区、飞机/船舶、野外科考、油气/天然气开采、货运交通跟踪、环境监测等场景有巨大 的应用发展空间。
ITU 提出了中继到站、小区回传、动中通、混合多波四种卫星互联网 与 5G 融合应用场景,而在 6G 时代,将实现地面移动与卫星移动通信标准制式、终端、 网络架构等多方融合,建立空、天、地、海泛在的移动通信网络。
在传统卫星通信中,较常用的频段为 C(4-8GHz)及 Ku(12-18GHz)频段。C 频段是 最先在商业通信卫星中被使用的频段,频率及增益都较低,对应天线的口径更大,传播 条件相对稳定,几乎不会受到雨衰的影响,主要用于卫星固定通信、电视广播等业务;
Ku 频段频率较高、对应天线口径更小,天线增益也较高,用于卫星固定通信及卫星直 播等业务,尤其可以在动中通、静中通等场景中发挥优势。 Ka 频段可用频带带宽更大,是实现多种新业务的重要频段。
更高的频率对应更高的可 用带宽及更大卫星的容量,Ka 频段范围为 26.5-40GHz,最重要的特点为频段较宽,其 可用带宽高达 3500MHz。
Ka 频段是当前高通量卫星首选的频段,且在相同天线尺寸下, 与 Ku 频段相比可以获得更好的指向性及增益,在高速卫星通信、卫星新闻采集、个人 卫星通信等新兴业务有明显优势。但 Ka 频段的波长与雨滴直径接近,雨衰很大。
宽带需求资源水涨船高,Ka 频段日益拥挤,更高频率的 Q/V 频段成为新方向。L、S 频段主要用于卫星移动通信,C、Ku 频段主要用于卫星固定业务通信,高通量通信卫星 工作多集中于 Ka 频段。
目前,在轨静止轨道(GSO)C 频段卫星数量日渐饱和,Ku、 Ka 频段卫星也较拥挤,有向 Q、V 等更高频段发展的趋势。Q/V 频段卫星波数小、点对 点连接性能更优,能够提供更广泛的用户链路带宽资源,在新一代低轨卫星互联网组 网计划中,三星、 波音 均计划采用 V 频段。
轨道与频段资源的稀缺性日益凸显,是各国跑马圈地的战场。地球近地轨道可容纳 6 万 颗卫星,Ku、Ka 频段也逐渐饱和。
根据国际电信联盟 ITU 规定,卫星频率及轨道使用 权采用“先登先占”的竞争方式获取,同时,如果发射的卫星寿命到期,可以重新发射进行 补充,造成“先占永得”的局面。
轨道及频率是不可再生的战略资源,亦是卫星互联网组 网建设的瓶颈环节。 卫星互联网布局脚步加快,众多资本势力纷纷加入角逐。
2020 年 7 月 31 日,美国联邦 通信委员会(FCC)批准了亚马逊公司的柯伊伯(Kuiper)星座计划,该计划需要将 3236 颗卫星送入轨道,不过截止目前该计划尚未公布执行卫星发射服务的提供商。
随着 卫星制造与发射成本的不断降低,结合前几年一些企业卫星发射试错阶段积累的经验, 如今卫星互联网产业的布局脚步已大大加快,现有企业的技术突破与新竞争对手的不断 涌入,推动卫星互联网产业链上中下游的不断进步。
目前业界与资方对互联网卫星的前 景一致看好,一旦卫星互联网星座计划实现全球组网并实现全面运营,用户规模与市场 将十分庞大。