J20戰鬥機的火控雷達採用的是數字陣列雷達
J20戰鬥機作為中國空軍的第一種第五代戰鬥機，於2017年正式裝備部隊。這款集中國航空工業先進技術之大成的尖端戰機，採用的是一款怎樣的火控雷達？
首先，我們先來看一下我國雷達技術近些年的發展。從我國海空軍雷達上次換代的時間來看，在2005年左右普遍換裝了主動有源相控陣雷達。裝備主動有源相控陣雷達的空警2000預警機於2005年服役。裝備主動有源相控陣雷達的052C驅逐艦於2005年服役。戰鬥機使用的主動有源相控陣火控雷達宣布研製成功是在2008年，相差不過兩三年時間。該雷達在2009年獲國防科技進步一等獎，2010年獲國家科技進步二等獎。當時國內軍事專家評價，其設計水平與美國F22戰鬥機上的AN/APG-77雷達相當。我們可以看到，我國三軍主戰雷達系統基本上是在同一時期完成了主動有源相控陣雷達的換裝。上次雷達換代距今已有十年有餘，從時間上來看，足夠再研製一代新型雷達。事實上正是如此，我國陸海空三軍已進入數字陣列雷達大規模換裝時期。
相控陣雷達發展歷程
20世紀90年代中期，我國雷達技術領軍人物之一吳曼青院士在成功試驗的基礎上，率先提出“數字陣列雷達”概念，並帶領團隊成功研製了國內第一個數字T/R組件及國內首個數字陣列雷達試驗系統。2007年，吳曼青院士就創造性地提出“小平台、大預警、高性能、新一代”的新一代預警機發展構想，空警500預警機從立項到設計定型，僅用了3年時間。2011年，吳曼青及其團隊成功實現某重大雷達技術從體制到關鍵技術、從部件到系統的多項自主創新，整體技術處於世界先進水平，基於該項技術研製的演示驗證系統主要指標達到國際領先水平。
空警500預警機
吳曼青團隊還成功研製出擁有完全自主知識產權的“魂芯一號”，打破了國外高端數字信號處理芯片對中國高性能計算領域的壟斷，其性能達到國際主流廠商主力產品性能的6倍以上,成功應用在國產空警500預警機上。這裡提到的從體制到關鍵技術中的體制指的就是數字陣列技術，因為2011年國內外的主動有源相控陣雷達早已服役，能被稱為體制自主創新並達到世界領先水平的，只能是更新一代的數字陣列技術。這裡部件的自主創新之一應該就是“魂芯一號”DSP芯片。裝備數字陣列雷達的空警500預警機，從立項到研製成功只用了三年時間，這是世界上首架採用數字陣列雷達技術的預警機。2011年完成的演示驗證系統應該就是空警500雷達的演示驗證系統。那麼從已經公開的信息來看，空警500研製成功的時間可能在2012年，最晚2013年。此後空警500預警機被拍到塗上軍徽服役的照片出現在2014年。之後就是在2015年抗戰勝利日閱兵式上，飛過天安門廣場。
2018年初，澎湃新聞採訪了中國電子科技集團有限公司第十四研究所所長胡明春。胡明春談到：經過幾十年的不斷發展，我國雷達在某些領域已經實現了“領跑”。比如我們的艦載多功能相控陣雷達和機載預警雷達採用的是世界最領先的技術體制。這裡說的世界最領先的技術體制就是數字陣列技術，既然空警500預警機上的雷達是數字陣列雷達，那麼我們最新的艦載多功能相控陣雷達也是數字陣列雷達。到了J20這裡，肯定也是數字陣列雷達，因為我國三軍主戰雷達的換代歷來都是同步進行的，相差最多不過3～4年。
從研製進度上來看，空警500預警機從立項到研製成功只用了三年時間。而J20火控雷達的複雜程度沒有預警雷達高，在前面有空警500探路的情況下，研製時間應該不會超過三年。如果J20的火控雷達晚於空警500項目一年啟動，在空警500研製成功一年後完成研製工作，也就是到2013年左右完成研製，應該是個合理的推測。即使J20用的火控雷達在空警500預警雷達的演示驗證系統研製成功後才開始研製，而且也要花三年時間研製，那麼最遲2017年我們也會拿到採用數字陣列技術的J20火控雷達。那麼，我國三軍主戰雷達花3～4年完成數字陣列雷達的換裝，完全符合我軍雷達換裝的規律。J20試飛早期也沒有安裝火控雷達，從時間進度上看也是來得及的。作為空軍天字一號工程的J20，不可能放着先進技術不用。綜合各方面的信息，可以確定J20戰鬥機裝備的火控雷達應該是數字陣列雷達。
J20戰鬥機火控雷達的天線罩
那麼，J20戰鬥機的火控雷達性能如何？能不能同美國F22戰鬥機的火控雷達一較高下呢？這此，我們就來專門討論一下這個話題。先來研究一下J20火控雷達的性能。先看官方的消息。2011年年底央視國防軍事頻道有期節目-2011世界武器裝備大盤點，其中提到了J20戰鬥機的火控雷達。從節目中透露的信息來看，J20的火控雷達功率為十萬，單位沒說清。但是雷達的功率要麼是瓦要麼是千瓦，千瓦顯然不可能，因為過大了。美國F22戰鬥機裝備的AN/APG-77的最大功率也只有10-20個千瓦。那麼合理的單位應該是瓦，即便如此也是非常驚人的，因為10萬瓦也就是100千瓦。這樣算來，J20火控雷達的功率至少是AN/APG-77雷達的五倍。按照雷達發射功率和探測距離之間的關係，發射功率提高至五倍，探測距離就會高出百分之五十左右。
F22裝備的AN/APG-77主動有源相控陣雷達的天線
如果AN/APG-77雷達探測反射面積為1平方米的目標可以達到200公里的話，相應J20的火控雷達探測同樣的目標至少可以達到300公里。這樣J20就會取得非常大的探測距離優勢，可以做到先發現，先攻擊，在戰術上就會占據很大優勢。而且要知道，這只是我國雷達技術2011年的技術水平，此時離J20服役還有七年，仍然有時間進行比較大的技術升級，以便引入最先進的技術成果，使火控雷達的技術水平有更大的提升。
當然，也有人對上述消息持否定態度，理由是央視在報道軍事新聞時常犯錯誤。央視報道經常出錯這個倒是真的，不過也不能就認定央視說的全都是錯的，因為很多最新最權威的消息同樣也出自央視，況且能在同一條新聞中說清楚J20一年試飛了多少架次，這樣的消息來源不是軍方就是廠方，信息的可靠性還是有保障的。如果只有這樣一條消息，我們當然不能對J20火控雷達的性能做出準確的判斷。那麼我們就從雷達功率器件、雷達收發組件、雷達工作體制、冷卻系統、供電系統、DSP處理芯片、CPU處理芯片等各個方面對J20的火控雷達進行一番仔細的分析。並且將J20火控雷達和F22火控雷達的各項性能做一個詳細的對比。
首先J20的火控雷達為何需要如此大發射功率的呢？還不是被隱形技術逼的！戰鬥機採用隱形技術之後，雷達反射面積大大縮小，會大大壓縮火控雷達的探測距離。以F22為例，如果讓一架F22用雷達探測另一架F22,在機頭方向上，雷達探測距離可能只剩下五六十公里了。要知道F22在探測1平方米的目標時還有近200公里的探測距離。如果只剩下五六十公里的探測距離，已經遠小於中距空空導彈的最大射程了，可能雙方很快就要進入近距離空中格鬥了，如果有光電探測系統，可能已經先於雷達發現目標了。如果能把雷達發射功率提高到原來的五倍以上，就可以將探測距離重新拉回到100公里左右。而這正是J20的火控雷達要幹的事！
J20雷達天線罩的尺寸明顯要比F22的大得多
那麼J20的機載火控雷達如何實現這麼大的發射功率呢？從雷達天線罩的外形來看，其尺寸明顯比F22的雷達天線罩要大。因為從機頭的輪廓線來說，從機身開始F22的機頭先削尖然後再收縮，到天線罩的位置留給雷達天線的尺寸就不到一米了。而J20機頭的輪廓線收縮很快，到天線罩的位置尺寸仍有很大空間，足夠裝備直徑超過一米的雷達天線。更大的天線尺寸自然可以安裝更多的收發組件，但是僅靠多出的收發組件也不可能實現五倍以上的發射功率。顯然兩種雷達採用的收發組件有着很大的不同。
雷達收發組件(T/R組件)是主動有源相控陣和數字陣列雷達的核心部件
我們先來回顧一下相控陣雷達收發組件技術的發展，雷達收發組件也稱T/R組件或T/R模塊。雷達收發組件是主動有源相控陣和數字陣列雷達的核心部件，成本通常占整個雷達的一半。相控陣雷達天線通常都有上千個收發組件，雷達的信號發射和接收就靠這些收發組件，也就是說雷達的發射功率取決於單個收發組件的發射功率，而收發組件的功率大小取決於其使用的功率器件的功率。相控陣雷達使用的半導體功率器件經歷了三代的發展。第一代是硅半導體功率器件，現在已經基本上不用了。第二代是砷化鎵半導體功率器件，F22和F35戰鬥機火控雷達用的就是這種器件。第三代是氮化鎵、碳化硅、氧化鋅等寬禁帶半導體材料，其中以氮化鎵綜合性能最好。最近有報道國內研製成功了氧化鎵單晶材料，這種材料屬於超寬禁帶材料，是第四代。第三代功率器件相對於第二代器件的優勢就是發射功率可以提高一個數量級，也就是十倍，而且可以耐受更高的工作溫度。並且具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等優點。如果說J20機載火控雷達的發射功率能達到F22的5倍以上，那麼其收發組件肯定是採用了第三代功率半導體器件。
那麼國內是否掌握了第三代功率半導體器件技術呢？我們查找一下國內公開的技術文獻就可以發現，早在2000年就有研製成功氮化鎵功率器件的消息，2004年的技術文獻裡出現了X波段氮化鎵功率器件研製成功的消息，X波段正是戰鬥機火控雷達使用的頻段。2008年國內氮化鎵功率器件還有過單個器件實現119瓦功率的報道。要知道上一代砷化鎵器件單個也只有幾瓦的水平。因此我們可以知道，國內早就掌握了氮化鎵功率器件的技術。
採用風冷技術的國產有源相控陣雷達
用了氮化鎵功率器件技術之後，單個功率器件的發射功率提高了一個數量級，也就是十倍。如此高的功率帶來了第一個問題就是嚴重的發熱問題，那麼如何解決這個問題呢？此前有報道，國內研製成功了機載風冷相控陣雷達，可以用來給裝備脈衝多普勒雷達的戰機進行升級換代。但是對以採用第三代功率器件的火控雷達，風冷散熱能力每平方厘米每秒只有十幾瓦，可能解決不了問題，因此普遍採用的是液冷方式。當然國內還有更先進的冷卻技術，中科院理化所劉靜教授帶領的團隊研製成功了液態金屬冷卻技術。液態金屬冷卻技術能夠實現每平方厘米每秒高達數百瓦的冷卻能力，比普通液冷的幾十瓦高了一個數量級。因次，即使J20裝備了單個功率119瓦的功率器件，散熱也不是個什麼問題，只看是否有這樣的技術需求。採用液態金屬冷卻不但可以提高散熱能力，還可以讓散熱系統的重量大大減輕。
中科院理化所研發的液態金屬冷卻系統
火控雷達的功率提上來之後，產生的第二問題是電源功率不足的問題。經常有各種說法提到採用相控陣雷達之後，出現電源功率不足的問題。這些問題其實都是原來裝備脈衝多普勒火控雷達的戰鬥機升級到相控陣雷達時遇到的。相控陣雷達相對於脈衝多普勒雷達耗電量確實大了很多。但這個問題也不難解決，首先發電機技術本身難度不大,不是什麼高精尖技術。對於新飛機來說，如果原設計就考慮過這些情況，電源功率自然不是問題。對於第五代戰鬥機，單台發動機通常都有一二十個兆瓦的功率，提取二三百千瓦的功率拿來發電當然也不會有問題。
對主動有源相控陣雷達和數字列陣雷達來說，收發組件是雷達的核心部件，成本占整個雷達的百分之五十以上，其性能基本上決定了整個雷達的的技術水平。那麼J20火控雷達收發組件的性能是什麼水平的呢？雖然沒有直接的公開資料，但我們仍然可以透過過國內科研機構相關領域的技術進展，對此有個基本了解。
GaN微波功率模塊
在中電科第十三所官方網站上可以看到相控陣雷達功率器件和數字化收發組件相關產品的手冊。可以看到其產品已經已經廣泛採用氮化鎵技術，工作波段從L波段到X波段種類齊全，單個組件功率從20瓦、30瓦、60瓦、80瓦、100瓦、120瓦應有盡有。收發組件的工作波段也可以覆蓋L波段到X波段，並且也實現了數字化。而實現收發組件數字化是實現數字列陣雷達的前提條件。
GaN收發組件T/R
此前更早國內已有在數字化收發組件上實現直接頻率合成（DDS）的報道。要知道國內研製氮化鎵數字化收發組件的科研機構並不是只有十三所一家，而能公開的通常都不是最好的，這裡倒不是否定十三所的水平，畢竟在世界範圍內掌握氮化鎵數字化收發組件的科研機構屈指可數。國內收發組件的技術水平由此可見一斑。不過話說回來，能夠公開這些信息可能意味着十三所的這些產品在內部競爭中落選了，我們才有機會看到這些公開的資料，如果十三所的產品被選上，那麼恐怕二三十年內我們是別想看到這些資料了。官方公開這些產品資料大概是在2014年左右，離J20服役還有很長時間。既然落選的性能就已經很好了，那麼沒落選的性能又會怎樣，這給了我們更大的想象空間。
F35戰鬥機裝備的AN/APG-81主動有源相控陣雷達的天線
我們再來看看F22和F35火控雷達的技術水平，兩者都是主動有源相控陣雷達。AN/APG-77雷達採用的是砷化鎵半導體器件，共有1956個發射通道，每通道峰值功率10瓦。對於雷達反射面積1平方米的目標探測距離為200公里。F35戰鬥機的火控雷達AN/APG-81，也是砷化鎵半導體器件，共有1676個發射通道，每通道峰值功率6瓦。對於雷達反射面積1平方米的目標探測距離為160公里。而且F22和F35火控雷達的收發組件均未實現數字化。
F22戰鬥機裝備了AN/APG-77主動有源相控陣火控雷達
關於J20的火控雷達，我們上一次討論了雷達工作體制、功率器件、收發組件、散熱、雷達探測能力等技術問題。這一次我們來討論供電系統、雷達信號處理器DSP、信息處理器CPU等核心技術。關於供電問題，有人認為J20的火控雷達100千瓦以上的功率實現不了。其實電源技術實在不是多難解決的問題。以F35為例，採用了高壓直流發電機，可以提供270V高壓直流供電，功率250KW。發電機重不足60公斤。以WS15發動機為例，其循環功率為27MW。提取250KW功率也只占總功率的1%都不到，即使考慮發電效率問題，影響也很小。對J20來說，兩台發動機可以配兩台發電機，可以提供500KW的總功率，給雷達提供200KW的供電都不是問題。
2008年公開的國內X波段119瓦GaN功率器件的報道
以J20雷達天線的口徑，安裝2200個收發組件毫無壓力。即使不按國內最高記錄單個功率器件119瓦計算，打個對摺，按60瓦計算，2200個收發組件，雷達總功率也有132KW。供電綽綽有餘，甚至可以給激光武器上機留點餘地。四五年前，國內就有報道，為某飛機研製的高壓直流主/輔電源系統，突破了系統電壓瞬變、高速電機結構、冷卻、油路設計及發電機控制器寬轉速範圍的調壓設計等關鍵技術，基本達到了與世界先進戰機同等的技術水平。由此可見，電源根本就不是個什麼問題。
數字陣列雷達基本結構
對於數字陣列雷達，除了前端的核心部件收發組件之外，還有一項關鍵技術就是數字波束成型技術，簡稱DBF技術。這一項技術國內其實很早就掌握了。1999年國內啟動機動式三坐標雷達研製，項目總設計師吳曼青院士決定採用數字波束成型技術，當時世界上公認最先進的三坐標雷達採用的是多波束相掃體制，還沒有使用DBF技術的三坐標雷達。
採用DBF體制（數字波束成形技術）的305A機動式三坐標雷達
經過艱苦努力，採用DBF技術體制的機動式三坐標雷達在2003年研製成功。被譽為中國地面情報雷達趕超世界先進水平的里程碑式產品。2005年採用這一新技術的雷達即開始向國際市場出口。2006、2007年連續兩年在國際市場簽約達一億美元，打破了美國、法國長期占領國際雷達市場優勢地位的局面，而西方國家在2007年後才推出DBF體制的三坐標防空雷達。20世紀90年代中期，我國雷達技術領軍人物之一吳曼青院士在成功試驗的基礎上，率先提出“數字陣列雷達”概念，並帶領團隊成功研製了國內第一個數字T/R組件及國內首個數字陣列雷達試驗系統。加上國內在2005年之前就已經掌握了大功率的氮化鎵收發組件技術，這些技術整合在一起就是數字陣列雷達。由此可見，我國早已掌握數字陣列雷達技術，並且已經發展得非常成熟。
前面我們討論了雷達信號的發射與接收。然後，收到的雷達信號還要經過處理才能得到目標的信息。雷達信號處理常用的數學運算為快速傅立葉變換，早期的傅立葉變換是用計算機配合軟件來實現的，效率不高，隨後發展出專門針對這些運算優化的專用芯片，稱為數字信號處理器，簡稱DSP。當然DSP也不是只用在雷達上，除了雷達、電子戰，在通信、圖像處理、醫療電子、工業機器人等技術領域也有廣泛用途 。
華睿2號 DSP芯片
國內研發的雷達用DSP芯片主要是華睿和魂芯兩個系列。華睿系列DSP芯片由中電14所聯合清華大學、龍芯中科等單位研發。華睿1號採用65nm CMOS工藝，工作主頻為550MHz，處理能力32GFMACS，功耗為10W。就技術指標而言，華睿1號DSP 性能明顯優於同一時期飛思卡爾公司的MPC8640D、ADI 公司的TS201和美國德州儀器公司的C6701。適用於對實時性要求較高的雷達信號處理和電子對抗等領域。華睿2號為八核異構架構，採用了超標量結構、SIMD向量處理、可重構加速處理等技術，峰值處理能力達到400Gflops，作為參照，目前國外DSP芯片性能最好的是美國德州儀器的TMS320C6678，其峰值性能是160Glops，華睿2號的峰值性能是其2倍有餘。
魂芯2A DSP芯片
魂芯系列DSP芯片由中國電科38所研發。2012年，中國電科38所推出我國自主研發首款實用型高性能浮點通用DSP芯片——魂芯一號， 單核性能超過國際市場上同類芯片性能4倍。
空警500是世界首個採用數字陣列雷達的預警機
魂芯系列DSP芯片成功應用在我國空警500預警機雷達等多個國防科技裝備上，成為我國首款廣泛應用於國防科技裝備的高端自主數字信號處理器。2018年，中國電科38所又推出了魂芯二號A，採用全自主體系架構，研發歷時6年，突破了控制器設計等多個技術難題，擁有當前業界性能最強的DSP核，實現了對國內外同類產品性能指標的超越。相對於魂芯一號，魂芯二號A性能提升了6倍，通過單核變多核、擴展運算部件、升級指令系統等手段，使器件性能千億次浮點運算同時，具有相對良好的應用環境和調試手段；單核實現1024浮點FFT (快速傅里葉變換)運算僅需1.6微秒，運算效能比德州儀器公司TMS320C6678高3倍，實際性能為其1.7倍，器件數據吞吐率達每秒240Gb。
從以上情況來看，國內在雷達用DSP芯片方面，多年前就已經是世界一流水平了。數字陣列雷達之後，再往前發展一代，就是軟件定義雷達。魂芯二號A和華睿2號這一級別的DSP芯片已經可以支撐軟件定義雷達的發展了。例如：以魂芯二號A為DSP，配合高速ADC、DAC直接互連，具備相關時序接口，可以實現P波段射頻直采軟件無線電處理形態，也就是說已經可以實現軟件定義雷達的功能了。當然，對於更短的波段需要DSP提供更強大的計算能力。由此可見，這些世界領先水平的DSP芯片已經為我國雷達技術的進一步發展打下了堅實的基礎。
至於雷達系統當中用到的另一類重要芯片就是CPU，這方面也有國產產品可用，比如龍芯、飛騰、申威等CPU,而且性能也足夠。空警500用的就是龍芯。即使軟件定義雷達對芯片技術提出更高的要求，國內也能夠解決。
更小線寬的半導體製程通常意味着更高的芯片性能
近日，國內芯片代工企業中芯國際首次透露，第一代14納米FinFET已成功量產，四季度將貢獻有意義的營收。同時中芯國際的12納米工藝目前也已進入客戶導入階段，目前進展順利，預計年底會有多個芯片流片驗證。這意味着如果一切順利，12納米工藝將具備量產條件，標誌着國內成功掌握12納米工藝。雖說這距離國際最先進技術水平還有不小差距，但對於軍用已經足夠。因為軍用和民用不一樣，技術發展方向並不完全相同。很多軍用芯片並不需要使用最尖端的半導體製程。更先進的半導體製程實際上大部分是用在消費娛樂類產品上，而且即使比較落後的製程，比如28納米工藝，在台積電等一流芯片代工企業中也仍然是重要的收入來源。即便是INTEL公司，因為10納米工藝跳票，目前生產CPU用的還是14納米工藝，而且還要再用個兩三年。要知道魂芯二號A 用的是28納米工藝，華睿2號芯片用的是40納米工藝，龍芯3A3000用的也是28納米工藝，如果改成14納米或12納米工藝，性能再提高個四五倍完全不是問題。
綜上所述，J20的機載火控雷達採用的是數字列陣雷達，在雷達工作體制上比F22和F35採用的主動有源相控陣雷達領先一代。在雷達核心部件收發組件方面，J20的火控雷達採用的是氮化鎵半導體器件，而且已經實現數字化，比F22和F35的火控雷達採用的砷化鎵半導體器件領先一代。收發組件已經實現數字化，技術水平領先一代。雷達數字信號處理器DSP性能有兩倍以上優勢。J20火控雷達的發射功率至少是F22火控雷達的五倍以上，探測距離比F22火控雷達的探測距離至少高百分之五十。正如中電科十四所所長胡明春所言：經過幾十年的不斷發展，我國雷達技術早已經是國際領先水平。整體上全處於並跑狀態，正處於從“跟跑”到“領跑”跨越的關口期，並且在某些領域已經實現了“領跑”。
