火控雷达 J20火控雷达的性能（上）

      J20战斗机的火控雷达具体性能如何呢？首先，我们来看一下官方的消息。2011年央视国防军事频道有期节目提到了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。微信公众号：尖端防务       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。那么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。      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。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。微信公众号：尖端防务

       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。国内氮化镓功率器件还有过单个器件实现119瓦功率的记录。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。微信公众号：尖端防务       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。 

                                                 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。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。       

        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。

 

   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。

       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。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，我国雷达已全面接近或达到国外先进水平，整体上全面处于并跑状态，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”。微信公众号：尖端防务