雷达行业深度报告：相控阵雷达迭代，国产化器件起航

数字阵列雷达转换关键时期，核心组件需求持续上涨。相控阵雷达经历无源相控阵雷达、有源相控阵雷达、数字阵列相控阵雷达的依次迭代过程，数字阵列相控阵雷达在抗干扰能力、探测精度、功能多样性等方面均具有突出优势，其低功耗、高稳定、高精度的特点也使其成为目前相控阵雷达发展的重要方向之一。随着相控阵雷达结构转型升级，有源模拟和数字阵列相控阵雷达逐渐扩大应用，其核心组件如ADC/DAC芯片、T/R组件的用量呈倍数上涨，市场空间成长可观。 相控阵雷达覆盖多个应用领域，下游领域广阔。相控阵雷达下游包含星载、机载、弹载、舰载、车载、地面等多个应用领域，在舰载、机载等领域，各国均加快数字阵列相控阵雷达在特种设备上的应用，满足海、陆、空全方位的军事需求。随着特种设备的型号不断优化，相控阵雷达用量加大、数字化趋势明显。未来数字阵列相控阵雷达在下游应用领域的列装节奏有望进一步加快，带动各组件需求持续提升。 相控阵雷达各模块迭代优化，国产化趋势下元器件厂商充分受益。相控阵雷达系统主要包含相控阵天线、T/R组件、中频处理芯片、基带芯片、FPGA等核心组件。随着相控阵雷达技术的更新，对核心组件的要求也向高频段、集成化、轻量化等方向发展。当前元器件在功能上的重要性正不断提升，而上游特种半导体国产替代仍有较大空间。为充分实现供应链安全可控，技术优势明显、性能追赶海外龙头的国产化特种半导体厂商较为受益。业绩层面，当前下游高景气叠加国产化诉求强劲，特种半导体厂商近年业绩表现突出。一方面，相控阵雷达结构升级带动了核心组件用量上涨，核心组件供应厂商持续放量，业绩表现亮眼；另一方面，T/R组件、ADC/DAC芯片等关键组件的国产化诉求强烈，国产替代空间较大，未来有望进一步增长，相关公司的成长空间可期。 投资建议：当前特种半导体赛道核心逻辑为下游高景气和上游元器件国产替代，同时考虑到相控阵雷达技术升级，我们建议关注三条主线：1）相控阵雷达技术路线升级过程中的核心受益标的，如臻镭科技、国博电子；2）下游应用领域高景气，业绩快速增长的标的，如振华风光、国博电子；3）技术优势明显，国产替代空间广阔的标的，如臻镭科技、振芯科技、铖昌科技。 风险提示：1）行业竞争格局变化的风险；2）下游需求波动的风险；3）产能释放不及预期的风险。 重点公司盈利预测、估值与评级 1相控阵雷达迎新发展阶段，下游应用空间广阔 1.1雷达技术更新换代，数字相控阵雷达应时而生 1.1.1传统雷达革故鼎新，满足多功能需求 从20世纪30年代雷达诞生开始，雷达的发展大致经历了四个发展阶段。20世纪60年代开始相控阵雷达出现，逐渐替代传统机械扫描雷达，20世纪70年代开始，相控阵雷达大量投入使用，并开始由无源相控阵雷达转向有源相控阵雷达。从20世纪80年代开始，数字阵列技术开始被研究使用于相控阵雷达中，直至今日，数字阵列相控阵雷达仍在进一步的研究发展。总体来看，对于雷达的需求，逐渐向功能数字化、目标多样化、环境复杂化的方向转变。 图1：雷达发展阶段简述 与传统机械扫描雷达相比，相控阵雷达更具优势。20世纪70年代开始，各国大规模发展相控阵技术。传统雷达的工作原理是向空中发射电磁波束，用机械方式转动雷达天线，使波束扫过一定区域，接收目标信号反射的回波后，对目标进行定位和测距。相控阵雷达在天线设置上与传统雷达存在差异，相控阵雷达通过在平面天线上排列多个辐射组件，电子计算机控制辐射单元电流来改变波束方向进行扫描，从而实现更远距离、更多目标、更高精度的扫描探测。 表1：传统雷达与相控阵雷达性能比较 图2：传统机械扫描雷达图 图3：相控阵雷达图 当下正处于模拟相控阵雷达像数字相控阵雷达升级阶段。相控阵雷达的技术迭代可分为无源相控阵、有源相控阵、数字阵列相控阵三个阶段，数字阵列推动了有源相控阵雷达技术的进步，进而促进了数字阵列雷达的提出和发展。总体来看，相控阵雷达朝效率更高，体积更小，可靠性更高，灵活性更强的趋势不断更新迭代。 图4：相控阵雷达迭代过程 数字阵列相控阵雷达各方面性能优势突出。与模拟相控阵雷达相比，数字相控阵雷达在抗干扰能力、探测精度、功能多样性等方面均具有突出优势，其低功耗、高稳定、高精度的特点也使其成为目前相控阵雷达发展的重要方向之一。未来，随着高速数字信号处理技术的进一步发展，数字相控阵雷达正逐渐渗透各应用领域，对于相控阵雷达核心组件的需求也迎来新的变化。 表2：数字相控阵雷达主要优势 1.1.2相控阵雷达结构升级，核心组件需求持续上升 从无源相控阵到有源相控阵，T/R组件数目大幅上涨。无源相控阵雷达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，只在天线模块使用一个T/R组件。有源相控阵雷达的每个辐射器都配装有一个发射/接收组件，每一个组件都能自己产生、接收电磁波。在图5中，整个有源相控天线阵分为m个子阵，每个子阵有n个天线单元通道，每个天线单元上接有一个T/R组件，对T/R组件的使用量大大上升。 图5：有源子天线阵组合馈电接收系统 图6：无源相控阵和有源相控阵的区别 从有源模拟相控阵到数字阵列相控阵，ADC/DAC芯片用量上升。模拟相控阵与数字相控阵主要的区别在于波束形成位置的不同，有源相控阵雷达多个收发通道共用一个ADC/DAC芯片，而数字阵列相控阵雷达是为每个相控阵通道单元或模块配备等量的射频直采ADC/DAC，以实现海量多波束空间合成。 图7：数字相控阵雷达和模拟相控阵雷达的差异 1.2伴随相控阵雷达技术升级，元器件需求快速提升 1.2.1相控阵雷达各功能模块与时俱进 相控阵雷达主系统要包括相控阵天线、收发组件和信号处理系统。传统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。相控阵雷达与传统雷达结构上的区别主要在于雷达天线系统。因其具有天线波束变化快、空间功率综合能力强的特点，可完成多目标跟踪、高数据率搜索等工作，在舰载预警、敌我识别、侦察监视、气象预测等特种、民用领域应用广泛。 图8：相控阵系统结构图 相控阵雷达不断发展，各阶段雷达核心组件组成及功能发生变化。无源相控阵雷达配置了中央功率产生器，可以通过雷达内的无源网络对发射功率进行调整，如使用透镜系统或波导网络对阵元的信号发射功率进行分配等，每一阵元分配了独立的移相器。有源相控阵雷达则是为每一阵元配置了一组完整的T/R组件，利用该组件完成中央功率产生器的相关功能，且其功能更完善如相位与增益可调，集成度与灵敏度更高。数字相控阵雷达则将进一步提升了固态集成电路的占比，将数字波束形成技术应用到相控阵雷达中来提升雷达的扫描频率、扫描范围以及抗干扰性。 图9：无源相控阵和有源相控阵结构框图 图10：数字阵列相控阵雷达结构框图 1.2.2相控阵天线：相控阵雷达核心组件 相控阵天线是相控阵雷达的核心组件，相控阵雷达与其他雷达在外观上主要区别在于天线阵面的不同，相控阵雷达的天线通常是一个平面，在这个平面内按一定规律分布着许多天线单元，形成电子阵列，通过改变部分单元的相位，雷达的波束就能在一定范围内进行移动，移动速度快于机械操作。 有源相控阵天线具有波束快速扫描、高速灵活的波束调度、信号能量的分配与转换、自适应调整等特点。相比反射面天线，相控阵天线能更好地实现自主控制、目标跟踪和空间扫描功能。有源相控阵天线具有高增益、多点波束、波束在轨重构等特点。大型相控阵雷达天线阵面包含上万个天线单元，每个阵面基本模块集成了天馈、收发、校正、监控、供电和环控等系统，设备量多，逻辑关系复杂，安装要求高。 图11：相控阵收发天线结构图 图12：有源相控阵天线架构 为不断满足高速目标和隐身目标的需求，相控阵天线也逐渐向着高频段、大型化和轻薄化的方向发展。传统单一功能的天线难以满足需求，伴随着先进微电子技术的发展，要求有源相控阵天线在功能性是上能够实现组件的高密度集成，即能节省安装控件，又能根据雷达系统功能需求进行灵活的阵列设计。随着相控阵天线朝着高集成、高智能和高精度的方向发展，天线规模日益庞大、天线真元和通道数量越来越多，设备体积不断减小。 1.2.3T/R组件：决定相控阵雷达性能关键器件 T/R模块是有源相控阵雷达发展的核心，整个有源相控阵雷达系统由成百上千个辐射器按照一定的排布构成，每个辐射器后端均连接一个单独有源相控阵T/R组件，在波束形成器的控制下，对信号幅度和相位进行加权控制，最终实现波束在空间的扫描。因此，有源相控阵T/R组件的性能参数直接决定相控阵雷达系统的作用距离、空间分辨率、接收灵敏度等关键参数。此外，有源相控阵雷达需要数量众多的T/R组件共同构成有源相控阵阵面，有源相控阵T/R组件的性能也进一步决定了有源相控阵雷达系统的体积、重量、成本和功耗。 图13：T/R组件结构图 图14：有源相控阵雷达组件示意图 收发合一的T/R组件包括发射支路、接收支路及射频转换开关及移相器。每个T/R组件主要由发射高功率放大器（HPA）、滤波器，限幅器，又有低噪声放大器（LNA）、衰减器及移相器、波束控制电路等组成。是集高频、低频、大信号、小信号、数字与模拟为一体的复杂电子设备。 随着雷达的快速发展，T/R模块正朝着频带宽、信号质量好、散热好、增益与效率高、稳定可靠等方面推进。随着微电子技术的发展，这些组件的平均无故障时间已经达到数百乃至数千小时。良好的可替换性大大保障了相控阵雷达的可靠性。 图15：T/R组件应用产业链 国企占据T/R组件主要供应地位，民企各有优势。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，包括中国电科13所和中国电科55所，以及少数具备三、四级配套能力的民营企业。中国电科13所和中国电科55所基于其技术积累、资金规模、客户渠道等优势，在国内占据较大市场份额，民营企业则凭借各自的技术和项目优势，占据一定的市场份额。 表3：T/R组件主要供应商 1.2.4中频处理芯片：直接影响雷达系统精度及距离的关键单元 中频信号处理单元是相控阵雷达的核心模块之一，它的主要作用是在雷达发射信号时，通过模拟/数字转换方式生成预置相位和幅度的中频信号，然后传送至雷达的射频收发（T/R）模块上进行变频和功率放大；在雷达接收信号时，对来自射频收发（T/R)模块的中频模拟信号进行模拟/数字转换，并做幅度、相位校正以后，将数据发送给雷达信号处理机。 图16：典型无线接收机 图17：典型无线发射机 中频处理单元应用广泛，覆盖特种、民用等领域。超高速射频收发芯片和数据转换芯片是软件无线电、电子战、雷达等需要高宽带和高采样率应用的核心器件，在国防、航天等领域，数据转换器直接决定了雷达系统的精度和距离。在民用领域，高速高精度ADC/DAC芯片也可以满足4G、5G的高带宽性能需求。因此，高性能射频收发芯片和数据转换器在现在信息化高科技产品中有着重要的作用，随着信息化产业在各行各业的渗透，其应用领域也得到不断的拓展。 ADC/DAC大量应用于数字相控阵雷达，性能要求进一步提高。数字相控阵雷达中，其核心的数字化需要大量的高性能ADC/DAC工作于单元级或模块级射频组件后，用于将雷达收发变频后的模拟中频信号转换为数字信号以实现高精度的数字域波束合成和处理解算。通常雷达的瞬时带宽可高达数GHz，且所需处理信号的动态范围高达60dB以上，因此对ADC/DAC的带宽和位数均提出了非常高的要求。同时随着数字芯片的面积越来越小，与之配套的信号链模拟芯片也会在更多新技术的推动下朝着小型化、低功耗和高性能的方向发展。 ADC/DAC国产化需求强烈，技术龙头更具优势。国内特种行业ADC/DAC芯片国产化诉求强，国内供应商当前供给能力主要集中在2.5Gsps采样率以下产品，3Gsps采样率以上高端产品国产化供应能力仍然较弱。 表4：射频收发芯片及高速高精度ADC/DAC竞争格局 1.2.5FPGA：为相控阵提供可靠解决方案 FPGA具有高集成、可重复编辑性、高速并行运算特