雷达电子行业专题报告：军队信息化核心系统，数字相控阵已成方向
（报告出品方/作者：山西证券，骆志伟）
1. 雷达早期发展
雷达是利用目标对电磁波的反射现象来发现目标并测定目标参数的一种电子设备。雷达发射电磁波照射目标，通过接收处理目标反射的回波信号，可得到目标的距离、角度和速度信息，当雷达具有足够高分辨力时还能识别目标的尺寸和形状等特征。通常雷达系统主要由天线、发射机、接收机、信号处理机、数据处理机和显示器等若干分系统构成。发射机的作用是产生雷达信号；天线的主要作用是发射和接收雷达信号；接收机的主要作用是将微弱的回波信号放大到足以进行信号处理的电平；信号处理机的主要作用是消除不需要的信号及干扰，从而通过或加强所关注目标产生的回波信号；数据处理机主要实现数据记录、自动跟踪、目标识别等功能。
雷达是防空和作战系统的重要组成部分。雷达在军事和民事领域都有广泛应用，但本文主要关注于军用雷达，军用雷达在探测距离、测量精度、分辨力及抗干扰等方面远高于民用雷达，更能代表雷达的发展水平。雷达在军事方面实现的主要任务包括搜索警戒、跟踪、侦察及校射。搜索警戒是指在尽可能大的空域范围内及早发现远距离的军事目标；跟踪是指对目标进行精密跟踪，为武器系统提供连续、精确的目标坐标参数及运动轨迹，引导武器系统对目标进行拦截和摧毁；侦察是指侦测敌方所处距离、方位及动态；校射是指测定己方炮弹的弹着点坐标，以校准火炮的设计。
雷达系统的分类比较复杂，除了按照功能分类外，还可以按照雷达承载平台、雷达信号形式、雷达信号处理方式、雷达天线波束扫描方式、测量的目标参数、工作频段等进行划分。
雷达系统的作用和性能是由一系列技术战术指标来描述的，战术指标反映了雷达的用途和能力，往往决定了雷达各分机及系统总的技术指标。雷达的主要战术指标包括威力范围、测量精度、分辨力（距离分辨力、角分辨力、速度分辨力）、数据率、抗干扰能力及工作可靠性等。雷达的主要技术指标包括工作频率（波长）及带宽、发射功率和调制波形、脉冲宽度、重复频率、天线波束形状、天线扫描方式及接收机灵敏度等。
雷达最初主要用于军事目的，20 世纪 40 年代第二次世界大战加速了雷达的应用和发展，20 世纪50年代是雷达理论与实践结合发展的重要时期，40 年代发展起来的单脉冲原理成功应用于美国AN/FPS-16跟踪雷达，脉冲压缩原理开始应用于雷达发射系统，20 世纪 60 年代机载动目标显示雷达应用于美国海军的E-2A预警机，探测距离在 3700km 以上的“麦德雷”高频超视距雷达研制成功，20 世纪70 年代，随着数字技术的快速发展，雷达信号处理掀起一场数字革命，主要体现在动目标检测（MTD）和脉冲多普勒（PD）等雷达信号处理机更为精巧灵活，性能显著提高，高可靠的固态功率源更加成熟，可以组成普通固态发射机，许多场合可用平面阵列天线代替抛物面天线，20 世纪 80 年代，无源相控阵雷达研制成功，超高速集成电路技术的发展，使雷达信号处理能力继续提升的同时显著缩小了处理机体积，20 世纪90 年代，有源相控阵雷达的应用、毫米波雷达的成熟、合成孔径雷达的实战应用等使雷达具有多功能、综合化、高可靠、抗干扰和多目标等先进性，进入 21 世纪，雷达的发展以基于相控阵、合成孔径、脉冲多普勒等三种主流体制的演变和完善作为主要标志。
1.1 连续波雷达
连续波雷达是指连续发射电磁波的雷达，连续波雷达在接收回波时仍发射信号，连续波雷达的工作原理是利用多普勒频移检测运动目标。根据发射信号的不同形式，可将连续波雷达分为非调制单频和调频连续波雷达。相比非调制单频连续波雷达，调频连续波雷达具备测距能力，早在20 年代就用来测量游离层的高度，在 30 年代用来做飞机的高度计。连续波雷达的优点是设备简单，发射频谱窄。后者减少了无线电干扰问题，使得对所接收波形的处理变得容易。同时由于峰值功率一般比平均功率大不了多少，连续波雷达更易于引入固态原件。由于连续波雷达发射其所需的平均功率时，峰值功率很小，而且发射频谱很窄，不容易被敌人侦察设备探测到。但是连续波雷达有一个严重缺陷，就是信号泄露。由于连续波雷达体制上的特点，决定了它不能在发射信号期间关闭接收机，导致发射机的发射信号及其噪声会直接泄露到接收机，从而掩盖目标的检测，如果发射机功率足够大甚至会烧坏接收机。连续波雷达收发间的隔离难于做得很好，限制了连续波雷达的发射功率，因此制约了连续波雷达在远距离以及空间限制高的机载领域的应用。20 世纪 50 年代，在脉冲多普勒雷达发展还不够先进时，连续波雷达也被用于杂波中的运动飞机检测，Hawk 防空系统的 AN/MPQ-46 跟踪照射雷达就是典型代表。AN/MPQ-46 采用收发分置天线，为了加强屏蔽，两个天线的周边上都加有隧道式圆环。随着高频 PRF 脉冲多普勒雷达的发展，在杂波中的飞机检测应用方面连续波雷达已经被脉冲多普勒雷达替代。
在短距离或中等距离的情况下，用连续波雷达的设备比脉冲雷达简单，由于连续波雷达能在比较低的高度工作，因而在半主动导弹制导中获得成功应用。半主动雷达制导导弹需要跟踪雷达来捕获目标，并且需要更窄聚焦的照明雷达来“照亮”目标，以便导弹锁定目标反射的雷达回波。在导弹飞行的整个过程中，目标必须保持照明状态，典型应用有 AN/SPG-62。AN/SPG-62 是美国研制的连续波火控雷达，目前部署在配备宙斯盾作战系统的军舰上，在宙斯盾火控中的作用是为半主动雷达制导导弹（SM-2 或ESSMBlock1）在末段拦截阶段照亮目标。第一批 AN/SPG-62 装备在提康德罗加级巡洋舰上，该巡洋舰于1983 年投入使用，从那时起，AN/SPG-62 已在许多拥有宙斯盾战斗系统的美国和外国海军舰艇上服役。
1.2 脉冲多普勒雷达
脉冲多普勒雷达是一种利用多普勒效应检测目标信息的脉冲雷达。由于连续波雷达有信号泄露的重大缺陷，同时脉冲工作有简化距离测量的优点，因此脉冲雷达逐步发展成为最常用的雷达工作方式。普通脉冲雷达是在检波后在时域上检测目标的，在强杂波背景下就会丧失检测能力，所以普通脉冲雷达没有下视能力，20 世纪 60 年代，为了解决机载雷达的下视难题，人们研制了脉冲多普勒体制。脉冲多普勒雷达兼具脉冲雷达的距离分辨力和连续波雷达的速度分辨力，能进行频域的滤波与检测，有更强的抑制杂波的能力，能在较强的杂波背景中分辨出移动目标，尤其适用于机载平台。
最早装备战斗机的机载脉冲多普勒雷达，是美国休斯公司 1965 年开始研制，1966 年装备美国海军F14战斗机的 AN/AWG-9 火控雷达。美国装备空军和海军的脉冲多普勒机载火控雷达还有：休斯公司1965年研制，1974 年装备海军 F15 战斗机的 AN/APG63 雷达；西武公司 1970 年研制，1981 年装备空军F-16A/B战斗机的 AN/APG-66 雷达和 1984 年装备空军 F-16C/D 战斗机的 AN/APG-68 雷达；休斯公司1975年研制，1982 年装备海军 F-18 战斗机的 AN/APG-65 等。脉冲多普勒机载预警雷达的典型代表是，美国西武公司研制的装备空军预警机 E-3A 的 AN/APY-1 雷达。
早期的脉冲多普勒机载火控雷达采用扭转极化卡塞格伦天线。这种天线重量轻、生产加工容易，但它的效率低、副瓣电平高，这使雷达的探测性能受到限制，所以组件被淘汰。现代脉冲多普勒机载火控雷达，几乎都采用了平板缝隙阵天线。这种天线的效率高，特别使天线口径照射的幅度和相位易于控制，能获得比较理想的低副瓣性能，适合用于脉冲多普勒机载火控雷达。
2. 相控阵雷达：雷达未来发展的主流方向
2.1 相控阵天线是相控阵雷达的核心
相控阵雷达是采用相控阵天线的雷达。相控阵天线是由初期雷达采用的阵列天线发展而来，是由许多辐射单元（阵元）排列所构成的定向天线，典型的相控阵利用电子控制移相器改变天线阵元相位分布来实现波束指向在空间的转动或扫描。
相控阵天线和相控阵雷达的技术特点与相控阵天线的微波部件及控制部件的技术进步，以及数字技术的进步有关。主要技术特点包括天线波束快速扫描能力、多波束形成能力、空间功率合成能力、天线波束形状的捷变能力、与雷达平台共形能力以及高可靠性。
2.2 相控阵雷达的发展与应用
20 世纪 60 年代以来，相控阵雷达获得很大发展，最初它主要是为了解决对人造卫星及洲际导弹的观测问题，为了观测几千千米远的目标，要求雷达天线具有大的孔径尺寸，这就给天线的机械扫描带来极大的困难，采用相控阵天线即可解决上述问题，这是相控阵雷达初期大发展的主要原因。之后随着数字技术的发展，数据处理能力大幅提升，加上相控阵雷达成本的逐步降低，极大促进了相控阵雷达从战略应用向战术应用发展，从大型的、复杂的、具有超远程探测距离的相控阵雷达发展出小型的、相对简单的、距离较近的舰载、机载相控阵雷达。
相控阵分有源和无源两类。无源相控阵仅有一个中央发射机和一个接收机，发射机产生的高频能量经计算机自动分配给天线阵的各个辐射器，目标反射信号经接收机统一放大。有源相控阵的每个辐射器都配装有一个发射/接收通道（T/R 组件），每一个通道都能自己产生、接收电磁波，在频宽、信号处理和冗度设计上更有优势，且个别组件的损坏对系统功能运转影响较小。
2.3 有源相控阵雷达的组成
有源相控阵雷达的无线收发系统主要包括四个功能模块：数字信号处理模块、数据转换模块、T/R组件和天线。有源相控阵 T/R 组件负责接收、发射一定频率的电磁波信号，并在工作带宽内对信号进行幅度相位控制。数据转换模块实现射频信号变频、滤波、增益控制、数模转换等功能，将射频信号转换为基带信号后，传输给数字信号处理模块，主要包括射频收发芯片和 ADC/DAC 芯片。数字信号处理模块通过处理基带信号实现相关的雷达算法，从而完成目标识别、测距和成像等功能，目前大多数雷达信号处理平台都采用 FPGA+DSP 的结构，FPGA 可以完成大规模复杂组合逻辑与时序逻辑，且全部控制逻揖由硬件完成，速度快，效率高，适合大数据量的高速传输，这是 DSP 无法比拟的，采用 FPGA+DSP 的结构可使DSP 的高速数据处理性能与 FPGA 的高速数据采集及逻辑的控制能力相结合，实现优势互补。与此同时，电源管理芯片为T/R组件、数据转换模块和数字信号处理模块提供了良好的供配电和低功耗电源管理。
有源相控阵 T/R 组件主要由射频前端芯片中的放大器类芯片（功率放大器和低噪声放大器）、幅相控制类芯片（数控移相器和数控衰减器）、无源类芯片（限幅器、开关和环形器）以及相应的控制电路、电源调制电路组成。发射信号时，控制器在雷达控制信号作用下，将所有收发开关同步切换到发射通道，射频激励源送来的信号经移相器、衰减器、收发开关和功率放大器进行幅度相位调制，然后送至天线辐射单元。接收信号时，控制器在雷达控制信号作用下，将所有收发开关同步切换到接收通道，天线接收到的微弱信号经限幅器和低噪声放大器放大进行幅度相位调整后送往接收机。此外，有源相控阵T/R组件内部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。
有源相控阵雷达天线最关键的部分是 T/R 组件，有源相控阵的一切特点都体现在T/R 组件上，T/R组件的性能在很大程度上决定了有源相控阵雷达的性能。一个有源阵列要使用成百上千个T/R组件，据统计一部有源相控阵雷达天线系统成本占雷达总成本的 70%-80%，而 T/R 组件又占据了有源相控阵雷达天线成本的绝大部分。高功率密度、高可靠性的低压大电流电源供电系统是相控阵雷达的关键技术之一。T/R组件需要稳定的低压直流供电，尤其在发射时需要提供很大的电流用于发射功率输出，峰值功率较大，同时由于受到体积、重量和工作环境（7×24 小时工作，工作温度可达 60 摄氏度甚至更高）的限制，T/R组件的模块电源必须具备大功率、高功率密度、高效率和高可靠性。
3. 雷达导引头：雷达技术的制导应用
3.1 导引头是导弹的“眼睛”
制导控制系统决定了导弹的打击精度。导弹通常由战斗部、推进系统、制导控制系统、弹体和弹上电源等五大部分组成，其中制导控制系统是导弹的核心和关键分系统，很大程度上决定着导弹的作战性能，尤其是打击精度。导弹制导控制系统包括制导系统和控制系统两大部分，制导系统好比人的“眼睛和大脑”，“眼睛”获取目标的位置和运动信息后，交给“大脑”按照制导规律形成制导指令；控制系统好比人的“小脑和肌肉”，“小脑”将“大脑”的制导指令分解为控制指令，并传送到相应的“肌肉”（执行机构）使其协调工作，从而使导弹飞向目标。
导引头是导弹制导系统的核心部件，是导弹的“眼睛”。导引头的主要功能是搜索、发现、识别和跟踪目标，测量目标相对于导弹的位置和速度信息。导引头是导弹价值量占比最高的部分，根据《防空导弹成本与防空导弹武器装备建设》中关于导弹按价值量拆分的描述，导引头和动力装置占据40~60%的成本。按照探测系统的不同，导引头主要可分为光学制导和雷达制导两大类。相比光学波段，无线电波在大气中传播损耗要小的多，也不受昼夜和气象条件的限制，所以雷达导引头探测距离远，可以全天候和全天时使用，但是雷达制导精度不如光学制导高，无线电波段更容易受到电磁干扰。
弹上电源系统是导弹的“心脏”，负责给导引头、任务计算机、惯导、卫星导航接收机、舵系统等弹载电子设备提供工作用电，是导弹运行的核心，其安全性和可靠性直接关系整个导弹的质量水平。弹上电源系统主要由一次电源、二次电源和控制电路等构成，一次电源通常选用热电池或者涡轮发电机，二次电源一般包括直流-直流、直流-交流、交流-直流变换器，电源控制电路通常由点火电路、电源输出状态检测电路、弹架电源转换电路等组成。导弹电源系统为了适应导弹机动性强、工作时间较短和体积质量较小的整体情况，需要具备以下几个特点：体积小，质量轻；瞬间输出功率的能力大；启动速度非常快，缩短导弹发射时间；能够适应高温等及其恶劣的环境；可靠性高和贮存时间长。
3.2 雷达制导系统分类以及相应的雷达导引头特点
雷达制导系统按照制导指令是否在导弹上产生可以分为无线电遥控制导和雷达自动寻的制导两类。无线电遥控制导是指由制导站（地面站或载机等）发射雷达波束测量目标和导弹信息，并由制导站产生制导指令遥控导弹飞行的方式，这种制导方式又可分为无线电指令制导和无线电波束制导，根据目标测量方法的不同，无线电指令制导又可分为雷达跟踪指令制导系统和 TVM（Track-via-missile）指令制导系统两种形式。雷达自动寻的制导是由弹上雷达导引头接收目标反射或发射的无线电波，测量弹目相对位置并产生制导指令控制导弹飞向目标。目标反射或发射的无线电波可能是由弹上雷达照射后反射的，也可能是由第三方雷达照射后反射的，或者由目标自身主动发射的，于是根据辐射来源的不同，雷达自动寻的制导系统相应可分为主动寻的制导系统、半主动寻的制导系统和被动寻的制导系统。相应于雷达寻的制导体制，雷达导引头可分为主动导引头、半主动导引头、被动导引头和复合导引头。无线电遥控制导作用距离较远，受天气影响小，导弹上设备简单、成本较低，但其制导精度随着导弹与制导站的距离增加而降低，同时系统易受无线电干扰，不如雷达自动寻的制导方式应用广泛。
TVM（Track-via-missile）指令制导是介于雷达跟踪指令制导和雷达半主动寻的制导之间的一种制导方式。导弹发射后需要由功率较大的地面火控雷达持续照射目标，导弹在飞行过程中接收到目标的反射回波后，把测量的目标数据通过下行无线数据链送到制导站，同时制导站向导弹发射跟踪波束测量导弹的位置坐标数据，最后制导站根据导弹和目标的相对位置和运动信息计算得到制导指令，并通过上行无线数据链传送给导弹，从而引导导弹飞向目标。TVM 制导方式与雷达半主动制导都是采用弹上导引头测量目标运动信息，但是 TVM 制导方式的制导指令是在制导站上形成的，而雷达半主动制导方式是在导弹上形成的。由于导弹雷达导引头的测量精度随着导弹与目标的不断接近而不断提高，因此TVM制导解决了雷达跟踪指令制导的探测精度随距离增加而下降的缺点，但是由于需要大功率雷达的连续照射，增加了雷达照射载体的暴露时间，所以 TVM 制导方式很难用于空间狭小且机动性要求高的机载平台。
主动式导引头是典型的弹载雷达装置，同时安装有雷达发射和接收设备，因此具备自动发现、识别和跟踪目标的能力，可实现“发射后不管”。半主动式导引头没有发射机，需要依靠装在地面雷达站或其他载体（飞机、军舰或雷达车）上的发射机照射目标，因此不具备自主探测能力。被动式导引头自身不发射雷达波，也不需要照射雷达对目标进行照射，主要是利用目标自身辐射的无线电波确定目标位置，所以多用于打击敌方的雷达、通信设备及主动式电子干扰设备等的反辐射导弹。
3.3 相控阵雷达导引头发展
相控阵雷达导引头是雷达导引头的未来发展方向。20 世纪 90 年代以来，飞行器隐身技术的逐步普及及应用，重新定义了战场游戏规则，作为制衡隐身技术的主要技术途径，相控阵雷达技术开始被用于雷达导引头设计，2004 年雷神公司研制出第一个相控阵雷达导引头样机，近年来，相控阵雷达导引头相继在一些导弹型号中得到应用，日本新一代空空导弹 AAM-4B 是公开资料中第一个采用相控阵雷达导引头的导弹型号，2012 年正式装备部队，相比原始版本 AAM-4 机扫头探测威力提升 40%。2015 年俄罗斯披露了其为新型K-77M空空导弹研发的有源相控阵雷达，是在原有机扫天线驱动平台上用 64 模块单元的有源相控阵天线替代平板缝隙阵天线，之所以选择这种机/电混扫模式，主要是因为俄罗斯的电子移相器的技术水平不高，传统移相器的体积和重量过大难以综合到 R-77 弹体中，这也部分程度上削弱了相控阵天线的性能优势。
相控阵雷达导引头具备相控阵雷达系统的特有优点，但是仍存在一些问题限制了相控阵雷达导引头的应用，主要问题在于导弹弹体空间太小，限制了雷达导引头天线的大小，而且在较小空间内集中较多的T/R组件，散热也会成为难题，不过随着以氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体器件的应用、微波单片集成电路 （ MMIC ， Monolithic Microwave Integrated Circuit ） 的 应 用 、 利用微电子机械系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System) 技术制作的数字移相器的实现以及新的微波多芯片组件技术（MMCM）的应用，研发小型化、低功耗的有源相控阵雷达导引头的时机已成熟。
4. 军用雷达电子产业链
军用雷达电子产业链上游主要是通用性较强的原材料和电子元器件，兼容性好可针对不同的应用场景满足多种定制化需求，上游整体竞争比较充分，产品供应较为充裕，而中下游的大部分组件/模块、子系统和整机受制于技术门槛、军工资质及研发周期等影响和制约，行业壁垒较高，配套关系较为固定，主要由军工集团及其下属子公司和研究所进行配套，大型军工集团甚至在从事国防装备整机总成的同时，具备对核心微系统的整体设计与器件、组件设计生产能力，民企参与较少，整体上这类民企一般经营规模较小，市场相对单一，主要在某个细分领域中获得生存空间。
5. 投资分析
5.1 国博电子：相控阵 T/R 组件龙头
有源相控阵体制是雷达未来发展的主流方向，未来潜在市场空间较大。T/R 组件是有源相控阵天线的最关键部分，很大程度上决定了有源相控阵雷达的性能，在价值量上也占据了有源相控阵雷达成本的绝大部分。国博电子整合中国电科五十五所资源，主要客户均为国内军工集团，除整机用户内部配套外，是国内面向各军工集团销量最大的有源相控阵 T/R 组件研发生产平台，为各型装备配套研制了数百款有源相控阵T/R 组件，其中定型或技术水平达到固定状态产品数十项，产品广泛应用于弹载、机载等领域，具备技术和市场优势，标的稀缺性强。
5.2 新雷能：特种电源领先者
电源是一切电子设备的心脏，尤其雷达与导弹工作于特种应用环境，对电源产品在极端工作温度、剧烈冲击/加速度、低气压等严酷环境下的性能要求很高，另外各种部件用电需求差异性高，对于安全性和可靠性要求高，定制化水平高。新雷能在导弹电源、雷达电源、航天产品电源领域具有核心技术优势，在新型重点型号战术、战略导弹及雷达、电子设备电源产品领域占比较高。这些总体类产品已经完成了小批量生产进入大批量生产时期，全军为实现新时期使命任务对此类产品需求增长较大，该类产品业绩进入高速成长期。公司拟增发股票募集资金扩大航空航天类等特种电源产能，建设 SiP 功率微系统产业化项目，以满足持续扩大的客户需求，预计 2024 年建成。这将进一步提升公司研发生产能力，提供高速持续业绩成长。
5.3 振华风光：深耕军用模拟集成电路市场
模拟集成电路居于雷达电子产业链上游，相比数字集成电路具有技术壁垒高、应用领域广、产品使用周期长的特点，我国模拟集成电路主要产品的高端化水平和国产化率普遍不高，产业链自主安全需求迫切，军用装备对芯片自主安全的需求尤为突出，对高性能集成电路芯片进口替代的需求也不断增强。振华风光拥有 50 年集成电路研制生产史，主要产品包括信号链及电源管理器等高可靠模拟集成电路产品，产品主要应用于航空、航天、兵器、船舶、电子、核工业等相关军用领域。公司是推动高可靠放大器产品国产化的核心承制单位，是国内高可靠放大器产品谱系覆盖最全的厂家之一。受国家战略下的装备数量和性能提升以及国产化替代需求的影响，下游采购量和采购类别快速增长需求旺盛，有望带动公司相关产品的销售规模持续快速增长。公司募集资金建设 6 英寸晶圆制造线，转型IDM经营模式，实现设计、制造、封测等环节协同优化，充分释放芯片设计能力，突破生产交付瓶颈，市场竞争力有望持续增强。
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