J20战斗机的火控雷达采用的是数字阵列雷达
J20战斗机作为中国空军的第一种第五代战斗机，于2017年正式装备部队。这款集中国航空工业先进技术之大成的尖端战机，采用的是一款怎样的火控雷达？
首先，我们先来看一下我国雷达技术近些年的发展。从我国海空军雷达上次换代的时间来看，在2005年左右普遍换装了主动有源相控阵雷达。装备主动有源相控阵雷达的空警2000预警机于2005年服役。装备主动有源相控阵雷达的052C驱逐舰于2005年服役。战斗机使用的主动有源相控阵火控雷达宣布研制成功是在2008年，相差不过两三年时间。该雷达在2009年获国防科技进步一等奖，2010年获国家科技进步二等奖。当时国内军事专家评价，其设计水平与美国F22战斗机上的AN/APG-77雷达相当。我们可以看到，我国三军主战雷达系统基本上是在同一时期完成了主动有源相控阵雷达的换装。上次雷达换代距今已有十年有余，从时间上来看，足够再研制一代新型雷达。事实上正是如此，我国陆海空三军已进入数字阵列雷达大规模换装时期。
相控阵雷达发展历程
20世纪90年代中期，我国雷达技术领军人物之一吴曼青院士在成功试验的基础上，率先提出“数字阵列雷达”概念，并带领团队成功研制了国内第一个数字T/R组件及国内首个数字阵列雷达试验系统。2007年，吴曼青院士就创造性地提出“小平台、大预警、高性能、新一代”的新一代预警机发展构想，空警500预警机从立项到设计定型，仅用了3年时间。2011年，吴曼青及其团队成功实现某重大雷达技术从体制到关键技术、从部件到系统的多项自主创新，整体技术处于世界先进水平，基于该项技术研制的演示验证系统主要指标达到国际领先水平。
空警500预警机
吴曼青团队还成功研制出拥有完全自主知识产权的“魂芯一号”，打破了国外高端数字信号处理芯片对中国高性能计算领域的垄断，其性能达到国际主流厂商主力产品性能的6倍以上,成功应用在国产空警500预警机上。这里提到的从体制到关键技术中的体制指的就是数字阵列技术，因为2011年国内外的主动有源相控阵雷达早已服役，能被称为体制自主创新并达到世界领先水平的，只能是更新一代的数字阵列技术。这里部件的自主创新之一应该就是“魂芯一号”DSP芯片。装备数字阵列雷达的空警500预警机，从立项到研制成功只用了三年时间，这是世界上首架采用数字阵列雷达技术的预警机。2011年完成的演示验证系统应该就是空警500雷达的演示验证系统。那么从已经公开的信息来看，空警500研制成功的时间可能在2012年，最晚2013年。此后空警500预警机被拍到涂上军徽服役的照片出现在2014年。之后就是在2015年抗战胜利日阅兵式上，飞过天安门广场。
2018年初，澎湃新闻采访了中国电子科技集团有限公司第十四研究所所长胡明春。胡明春谈到：经过几十年的不断发展，我国雷达在某些领域已经实现了“领跑”。比如我们的舰载多功能相控阵雷达和机载预警雷达采用的是世界最领先的技术体制。这里说的世界最领先的技术体制就是数字阵列技术，既然空警500预警机上的雷达是数字阵列雷达，那么我们最新的舰载多功能相控阵雷达也是数字阵列雷达。到了J20这里，肯定也是数字阵列雷达，因为我国三军主战雷达的换代历来都是同步进行的，相差最多不过3～4年。
从研制进度上来看，空警500预警机从立项到研制成功只用了三年时间。而J20火控雷达的复杂程度没有预警雷达高，在前面有空警500探路的情况下，研制时间应该不会超过三年。如果J20的火控雷达晚于空警500项目一年启动，在空警500研制成功一年后完成研制工作，也就是到2013年左右完成研制，应该是个合理的推测。即使J20用的火控雷达在空警500预警雷达的演示验证系统研制成功后才开始研制，而且也要花三年时间研制，那么最迟2017年我们也会拿到采用数字阵列技术的J20火控雷达。那么，我国三军主战雷达花3～4年完成数字阵列雷达的换装，完全符合我军雷达换装的规律。J20试飞早期也没有安装火控雷达，从时间进度上看也是来得及的。作为空军天字一号工程的J20，不可能放着先进技术不用。综合各方面的信息，可以确定J20战斗机装备的火控雷达应该是数字阵列雷达。
J20战斗机火控雷达的天线罩
那么，J20战斗机的火控雷达性能如何？能不能同美国F22战斗机的火控雷达一较高下呢？这此，我们就来专门讨论一下这个话题。先来研究一下J20火控雷达的性能。先看官方的消息。2011年年底央视国防军事频道有期节目-2011世界武器装备大盘点，其中提到了J20战斗机的火控雷达。从节目中透露的信息来看，J20的火控雷达功率为十万，单位没说清。但是雷达的功率要么是瓦要么是千瓦，千瓦显然不可能，因为过大了。美国F22战斗机装备的AN/APG-77的最大功率也只有10-20个千瓦。那么合理的单位应该是瓦，即便如此也是非常惊人的，因为10万瓦也就是100千瓦。这样算来，J20火控雷达的功率至少是AN/APG-77雷达的五倍。按照雷达发射功率和探测距离之间的关系，发射功率提高至五倍，探测距离就会高出百分之五十左右。
F22装备的AN/APG-77主动有源相控阵雷达的天线
如果AN/APG-77雷达探测反射面积为1平方米的目标可以达到200公里的话，相应J20的火控雷达探测同样的目标至少可以达到300公里。这样J20就会取得非常大的探测距离优势，可以做到先发现，先攻击，在战术上就会占据很大优势。而且要知道，这只是我国雷达技术2011年的技术水平，此时离J20服役还有七年，仍然有时间进行比较大的技术升级，以便引入最先进的技术成果，使火控雷达的技术水平有更大的提升。
当然，也有人对上述消息持否定态度，理由是央视在报道军事新闻时常犯错误。央视报道经常出错这个倒是真的，不过也不能就认定央视说的全都是错的，因为很多最新最权威的消息同样也出自央视，况且能在同一条新闻中说清楚J20一年试飞了多少架次，这样的消息来源不是军方就是厂方，信息的可靠性还是有保障的。如果只有这样一条消息，我们当然不能对J20火控雷达的性能做出准确的判断。那么我们就从雷达功率器件、雷达收发组件、雷达工作体制、冷却系统、供电系统、DSP处理芯片、CPU处理芯片等各个方面对J20的火控雷达进行一番仔细的分析。并且将J20火控雷达和F22火控雷达的各项性能做一个详细的对比。
首先J20的火控雷达为何需要如此大发射功率的呢？还不是被隐形技术逼的！战斗机采用隐形技术之后，雷达反射面积大大缩小，会大大压缩火控雷达的探测距离。以F22为例，如果让一架F22用雷达探测另一架F22,在机头方向上，雷达探测距离可能只剩下五六十公里了。要知道F22在探测1平方米的目标时还有近200公里的探测距离。如果只剩下五六十公里的探测距离，已经远小于中距空空导弹的最大射程了，可能双方很快就要进入近距离空中格斗了，如果有光电探测系统，可能已经先于雷达发现目标了。如果能把雷达发射功率提高到原来的五倍以上，就可以将探测距离重新拉回到100公里左右。而这正是J20的火控雷达要干的事！
J20雷达天线罩的尺寸明显要比F22的大得多
那么J20的机载火控雷达如何实现这么大的发射功率呢？从雷达天线罩的外形来看，其尺寸明显比F22的雷达天线罩要大。因为从机头的轮廓线来说，从机身开始F22的机头先削尖然后再收缩，到天线罩的位置留给雷达天线的尺寸就不到一米了。而J20机头的轮廓线收缩很快，到天线罩的位置尺寸仍有很大空间，足够装备直径超过一米的雷达天线。更大的天线尺寸自然可以安装更多的收发组件，但是仅靠多出的收发组件也不可能实现五倍以上的发射功率。显然两种雷达采用的收发组件有着很大的不同。
雷达收发组件(T/R组件)是主动有源相控阵和数字阵列雷达的核心部件
我们先来回顾一下相控阵雷达收发组件技术的发展，雷达收发组件也称T/R组件或T/R模块。雷达收发组件是主动有源相控阵和数字阵列雷达的核心部件，成本通常占整个雷达的一半。相控阵雷达天线通常都有上千个收发组件，雷达的信号发射和接收就靠这些收发组件，也就是说雷达的发射功率取决于单个收发组件的发射功率，而收发组件的功率大小取决于其使用的功率器件的功率。相控阵雷达使用的半导体功率器件经历了三代的发展。第一代是硅半导体功率器件，现在已经基本上不用了。第二代是砷化镓半导体功率器件，F22和F35战斗机火控雷达用的就是这种器件。第三代是氮化镓、碳化硅、氧化锌等宽禁带半导体材料，其中以氮化镓综合性能最好。最近有报道国内研制成功了氧化镓单晶材料，这种材料属于超宽禁带材料，是第四代。第三代功率器件相对于第二代器件的优势就是发射功率可以提高一个数量级，也就是十倍，而且可以耐受更高的工作温度。并且具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等优点。如果说J20机载火控雷达的发射功率能达到F22的5倍以上，那么其收发组件肯定是采用了第三代功率半导体器件。
那么国内是否掌握了第三代功率半导体器件技术呢？我们查找一下国内公开的技术文献就可以发现，早在2000年就有研制成功氮化镓功率器件的消息，2004年的技术文献里出现了X波段氮化镓功率器件研制成功的消息，X波段正是战斗机火控雷达使用的频段。2008年国内氮化镓功率器件还有过单个器件实现119瓦功率的报道。要知道上一代砷化镓器件单个也只有几瓦的水平。因此我们可以知道，国内早就掌握了氮化镓功率器件的技术。
采用风冷技术的国产有源相控阵雷达
用了氮化镓功率器件技术之后，单个功率器件的发射功率提高了一个数量级，也就是十倍。如此高的功率带来了第一个问题就是严重的发热问题，那么如何解决这个问题呢？此前有报道，国内研制成功了机载风冷相控阵雷达，可以用来给装备脉冲多普勒雷达的战机进行升级换代。但是对以采用第三代功率器件的火控雷达，风冷散热能力每平方厘米每秒只有十几瓦，可能解决不了问题，因此普遍采用的是液冷方式。当然国内还有更先进的冷却技术，中科院理化所刘静教授带领的团队研制成功了液态金属冷却技术。液态金属冷却技术能够实现每平方厘米每秒高达数百瓦的冷却能力，比普通液冷的几十瓦高了一个数量级。因次，即使J20装备了单个功率119瓦的功率器件，散热也不是个什么问题，只看是否有这样的技术需求。采用液态金属冷却不但可以提高散热能力，还可以让散热系统的重量大大减轻。
中科院理化所研发的液态金属冷却系统
火控雷达的功率提上来之后，产生的第二问题是电源功率不足的问题。经常有各种说法提到采用相控阵雷达之后，出现电源功率不足的问题。这些问题其实都是原来装备脉冲多普勒火控雷达的战斗机升级到相控阵雷达时遇到的。相控阵雷达相对于脉冲多普勒雷达耗电量确实大了很多。但这个问题也不难解决，首先发电机技术本身难度不大,不是什么高精尖技术。对于新飞机来说，如果原设计就考虑过这些情况，电源功率自然不是问题。对于第五代战斗机，单台发动机通常都有一二十个兆瓦的功率，提取二三百千瓦的功率拿来发电当然也不会有问题。
对主动有源相控阵雷达和数字列阵雷达来说，收发组件是雷达的核心部件，成本占整个雷达的百分之五十以上，其性能基本上决定了整个雷达的的技术水平。那么J20火控雷达收发组件的性能是什么水平的呢？虽然没有直接的公开资料，但我们仍然可以透过过国内科研机构相关领域的技术进展，对此有个基本了解。
GaN微波功率模块
在中电科第十三所官方网站上可以看到相控阵雷达功率器件和数字化收发组件相关产品的手册。可以看到其产品已经已经广泛采用氮化镓技术，工作波段从L波段到X波段种类齐全，单个组件功率从20瓦、30瓦、60瓦、80瓦、100瓦、120瓦应有尽有。收发组件的工作波段也可以覆盖L波段到X波段，并且也实现了数字化。而实现收发组件数字化是实现数字列阵雷达的前提条件。
GaN收发组件T/R
此前更早国内已有在数字化收发组件上实现直接频率合成（DDS）的报道。要知道国内研制氮化镓数字化收发组件的科研机构并不是只有十三所一家，而能公开的通常都不是最好的，这里倒不是否定十三所的水平，毕竟在世界范围内掌握氮化镓数字化收发组件的科研机构屈指可数。国内收发组件的技术水平由此可见一斑。不过话说回来，能够公开这些信息可能意味着十三所的这些产品在内部竞争中落选了，我们才有机会看到这些公开的资料，如果十三所的产品被选上，那么恐怕二三十年内我们是别想看到这些资料了。官方公开这些产品资料大概是在2014年左右，离J20服役还有很长时间。既然落选的性能就已经很好了，那么没落选的性能又会怎样，这给了我们更大的想象空间。
F35战斗机装备的AN/APG-81主动有源相控阵雷达的天线
我们再来看看F22和F35火控雷达的技术水平，两者都是主动有源相控阵雷达。AN/APG-77雷达采用的是砷化镓半导体器件，共有1956个发射通道，每通道峰值功率10瓦。对于雷达反射面积1平方米的目标探测距离为200公里。F35战斗机的火控雷达AN/APG-81，也是砷化镓半导体器件，共有1676个发射通道，每通道峰值功率6瓦。对于雷达反射面积1平方米的目标探测距离为160公里。而且F22和F35火控雷达的收发组件均未实现数字化。
F22战斗机装备了AN/APG-77主动有源相控阵火控雷达
关于J20的火控雷达，我们上一次讨论了雷达工作体制、功率器件、收发组件、散热、雷达探测能力等技术问题。这一次我们来讨论供电系统、雷达信号处理器DSP、信息处理器CPU等核心技术。关于供电问题，有人认为J20的火控雷达100千瓦以上的功率实现不了。其实电源技术实在不是多难解决的问题。以F35为例，采用了高压直流发电机，可以提供270V高压直流供电，功率250KW。发电机重不足60公斤。以WS15发动机为例，其循环功率为27MW。提取250KW功率也只占总功率的1%都不到，即使考虑发电效率问题，影响也很小。对J20来说，两台发动机可以配两台发电机，可以提供500KW的总功率，给雷达提供200KW的供电都不是问题。
2008年公开的国内X波段119瓦GaN功率器件的报道
以J20雷达天线的口径，安装2200个收发组件毫无压力。即使不按国内最高记录单个功率器件119瓦计算，打个对折，按60瓦计算，2200个收发组件，雷达总功率也有132KW。供电绰绰有余，甚至可以给激光武器上机留点余地。四五年前，国内就有报道，为某飞机研制的高压直流主/辅电源系统，突破了系统电压瞬变、高速电机结构、冷却、油路设计及发电机控制器宽转速范围的调压设计等关键技术，基本达到了与世界先进战机同等的技术水平。由此可见，电源根本就不是个什么问题。
数字阵列雷达基本结构
对于数字阵列雷达，除了前端的核心部件收发组件之外，还有一项关键技术就是数字波束成型技术，简称DBF技术。这一项技术国内其实很早就掌握了。1999年国内启动机动式三坐标雷达研制，项目总设计师吴曼青院士决定采用数字波束成型技术，当时世界上公认最先进的三坐标雷达采用的是多波束相扫体制，还没有使用DBF技术的三坐标雷达。
采用DBF体制（数字波束成形技术）的305A机动式三坐标雷达
经过艰苦努力，采用DBF技术体制的机动式三坐标雷达在2003年研制成功。被誉为中国地面情报雷达赶超世界先进水平的里程碑式产品。2005年采用这一新技术的雷达即开始向国际市场出口。2006、2007年连续两年在国际市场签约达一亿美元，打破了美国、法国长期占领国际雷达市场优势地位的局面，而西方国家在2007年后才推出DBF体制的三坐标防空雷达。20世纪90年代中期，我国雷达技术领军人物之一吴曼青院士在成功试验的基础上，率先提出“数字阵列雷达”概念，并带领团队成功研制了国内第一个数字T/R组件及国内首个数字阵列雷达试验系统。加上国内在2005年之前就已经掌握了大功率的氮化镓收发组件技术，这些技术整合在一起就是数字阵列雷达。由此可见，我国早已掌握数字阵列雷达技术，并且已经发展得非常成熟。
前面我们讨论了雷达信号的发射与接收。然后，收到的雷达信号还要经过处理才能得到目标的信息。雷达信号处理常用的数学运算为快速傅立叶变换，早期的傅立叶变换是用计算机配合软件来实现的，效率不高，随后发展出专门针对这些运算优化的专用芯片，称为数字信号处理器，简称DSP。当然DSP也不是只用在雷达上，除了雷达、电子战，在通信、图像处理、医疗电子、工业机器人等技术领域也有广泛用途 。
华睿2号 DSP芯片
国内研发的雷达用DSP芯片主要是华睿和魂芯两个系列。华睿系列DSP芯片由中电14所联合清华大学、龙芯中科等单位研发。华睿1号采用65nm CMOS工艺，工作主频为550MHz，处理能力32GFMACS，功耗为10W。就技术指标而言，华睿1号DSP 性能明显优于同一时期飞思卡尔公司的MPC8640D、ADI 公司的TS201和美国德州仪器公司的C6701。适用于对实时性要求较高的雷达信号处理和电子对抗等领域。华睿2号为八核异构架构，采用了超标量结构、SIMD向量处理、可重构加速处理等技术，峰值处理能力达到400Gflops，作为参照，目前国外DSP芯片性能最好的是美国德州仪器的TMS320C6678，其峰值性能是160Glops，华睿2号的峰值性能是其2倍有余。
魂芯2A DSP芯片
魂芯系列DSP芯片由中国电科38所研发。2012年，中国电科38所推出我国自主研发首款实用型高性能浮点通用DSP芯片——魂芯一号， 单核性能超过国际市场上同类芯片性能4倍。
空警500是世界首个采用数字阵列雷达的预警机
魂芯系列DSP芯片成功应用在我国空警500预警机雷达等多个国防科技装备上，成为我国首款广泛应用于国防科技装备的高端自主数字信号处理器。2018年，中国电科38所又推出了魂芯二号A，采用全自主体系架构，研发历时6年，突破了控制器设计等多个技术难题，拥有当前业界性能最强的DSP核，实现了对国内外同类产品性能指标的超越。相对于魂芯一号，魂芯二号A性能提升了6倍，通过单核变多核、扩展运算部件、升级指令系统等手段，使器件性能千亿次浮点运算同时，具有相对良好的应用环境和调试手段；单核实现1024浮点FFT (快速傅里叶变换)运算仅需1.6微秒，运算效能比德州仪器公司TMS320C6678高3倍，实际性能为其1.7倍，器件数据吞吐率达每秒240Gb。
从以上情况来看，国内在雷达用DSP芯片方面，多年前就已经是世界一流水平了。数字阵列雷达之后，再往前发展一代，就是软件定义雷达。魂芯二号A和华睿2号这一级别的DSP芯片已经可以支撑软件定义雷达的发展了。例如：以魂芯二号A为DSP，配合高速ADC、DAC直接互连，具备相关时序接口，可以实现P波段射频直采软件无线电处理形态，也就是说已经可以实现软件定义雷达的功能了。当然，对于更短的波段需要DSP提供更强大的计算能力。由此可见，这些世界领先水平的DSP芯片已经为我国雷达技术的进一步发展打下了坚实的基础。
至于雷达系统当中用到的另一类重要芯片就是CPU，这方面也有国产产品可用，比如龙芯、飞腾、申威等CPU,而且性能也足够。空警500用的就是龙芯。即使软件定义雷达对芯片技术提出更高的要求，国内也能够解决。
更小线宽的半导体制程通常意味着更高的芯片性能
近日，国内芯片代工企业中芯国际首次透露，第一代14纳米FinFET已成功量产，四季度将贡献有意义的营收。同时中芯国际的12纳米工艺目前也已进入客户导入阶段，目前进展顺利，预计年底会有多个芯片流片验证。这意味着如果一切顺利，12纳米工艺将具备量产条件，标志着国内成功掌握12纳米工艺。虽说这距离国际最先进技术水平还有不小差距，但对于军用已经足够。因为军用和民用不一样，技术发展方向并不完全相同。很多军用芯片并不需要使用最尖端的半导体制程。更先进的半导体制程实际上大部分是用在消费娱乐类产品上，而且即使比较落后的制程，比如28纳米工艺，在台积电等一流芯片代工企业中也仍然是重要的收入来源。即便是INTEL公司，因为10纳米工艺跳票，目前生产CPU用的还是14纳米工艺，而且还要再用个两三年。要知道魂芯二号A 用的是28纳米工艺，华睿2号芯片用的是40纳米工艺，龙芯3A3000用的也是28纳米工艺，如果改成14纳米或12纳米工艺，性能再提高个四五倍完全不是问题。
综上所述，J20的机载火控雷达采用的是数字列阵雷达，在雷达工作体制上比F22和F35采用的主动有源相控阵雷达领先一代。在雷达核心部件收发组件方面，J20的火控雷达采用的是氮化镓半导体器件，而且已经实现数字化，比F22和F35的火控雷达采用的砷化镓半导体器件领先一代。收发组件已经实现数字化，技术水平领先一代。雷达数字信号处理器DSP性能有两倍以上优势。J20火控雷达的发射功率至少是F22火控雷达的五倍以上，探测距离比F22火控雷达的探测距离至少高百分之五十。正如中电科十四所所长胡明春所言：经过几十年的不断发展，我国雷达技术早已经是国际领先水平。整体上全处于并跑状态，正处于从“跟跑”到“领跑”跨越的关口期，并且在某些领域已经实现了“领跑”。
